活性炭を再生する6つの方法

使用の過程で、活性炭は飽和し、吸着能力を失うことがあります。カーボンは交換するまで何度も使用できます。

活性炭の再生は、活性炭の寿命を延ばす最も効果的な方法です。この方法は長期的にはお金を節約できるだけでなく、二酸化炭素排出量も削減します。未使用炭素の使用量を減らすことで、より環境に優しい地球に貢献します。

活性炭再生とは

再生は、汚染された活性炭を浄化し、炭素の寿命を延ばすためにも使用できます。活性炭再生は、炭素の元の構造を破壊することなく、活性炭から吸着物質を除去するプロセスです。

活性炭の再生方法を選択する前に、処理対象と処理規模を明確に理解することが重要です。

活性炭の再生基準は次のとおりです。

活性炭外部から加熱して温度を上昇させると、吸着質量が減少し、温度が上昇すると平衡状態が変化し、吸着質量が脱離します。
吸着物の化学的性質を変える。
これは、表面から吸着物を除去するための一般的な方法です。吸着物は、吸着物と親和性の高い溶媒で抽出されます。これは、表面を溶媒で洗浄するか、表面上に溶媒を通過させることによって行うことができます。
使用済み活性炭を再生するための 1 つのオプションは、吸着質を炭素との親和性の高い物質で置き換えることです。置換物質を脱離させた後、活性炭を再生することができる。このプロセスを複数回繰り返すことで、カーボンの寿命を延ばすことができます。
溶媒中の溶質の濃度 (または圧力) を下げるには、蒸発、蒸留、抽出などのさまざまな方法を使用できます。これにより、吸着材の表面から吸着物が脱離し、溶液中の溶質の濃度が低下する。
有機物は分解または酸化によって表面から除去されます。分解は有機物がより小さな断片に分解されることですが、酸化は有機物と酸素の化学反応です。これらのプロセスは両方とも、活性炭表面から有機物を除去するために使用できます。

活性炭の再生方法

活性炭の再生方法には、熱再生法、生物学的再生法、湿式酸化法、溶媒再生法、電気化学的再生法、接触湿式酸化法などさまざまな方法があります。それぞれの再生方法にはそれぞれ長所と短所があるため、選択するのが適切です。活性炭の再生方法は、状況に応じて決定する必要があります。活性炭がひどく汚染されている場合は、より頻繁に再生する必要がある可能性があるため、時間がかからず、より効果的な再生方法が望ましいと考えられます。

熱再生方式

熱再生法は、業界で最も成熟した活性炭再生法の 1 つです。この方法の主な利点は、そのシンプルさと低コストです。ただし、これは最もエネルギーを消費する方法の 1 つでもあり、活性炭を損傷する可能性があります。

乾燥工程は活性炭中の水分を加熱除去する工程であり、高温炭化工程は乾燥した活性炭を一定の温度に加熱して有機物を分解し、活性炭の表面を多孔質化する工程です。活性化段階では、酸化剤を使用して高温炭化活性炭の表面をさらに酸化し、活性炭の比表面積が大きくなり、吸着能力が強くなります。

活性炭製造の乾燥段階では、主に揮発成分が除去されます。これは、活性炭を摂氏約600度の温度に加熱することによって行われます。これにより、水、酸素、その他の揮発性成分が除去され、炭素が残ります。

高温炭化段階は、活性炭製造プロセスの重要な部分です。このとき、活性炭に吸着していた有機物の一部は沸騰、蒸発、脱離しますが、残りの成分は活性炭の細孔内に留まり、固定炭となります。活性炭の酸化を避けるために、このプロセスは通常、真空または不活性雰囲気下で実行されます。

これが再生プロセス全体の鍵となります。活性化の次の段階では、CO2、CO、H2、または水蒸気が反応器に導入され、活性炭の微細孔が浄化され、その吸着性能が回復します。

熱再生は、高温の廃熱を使用して吸着剤を再生し、さらなる使用を可能にする廃熱回収方法です。熱再生プロセスでは通常、加熱のために追加のエネルギーが必要となるため、投資コストと運用コストが増加する可能性があります。ただし、この方法には再生効率が高く、適用範囲が広いという利点があります。

この工程で使用される装置は電気活性炭再生炉とガス焚き活性炭再生炉です。このプロセスでは、高温を使用して活性炭から汚染物質を除去します。

生物学的再生法

この方法は、活性炭に吸着した有機物を家畜化されたバクテリアを用いて分解し、さらに消化・分解してH2OとCO2を生成する方法です。この方法により使用済み炭を再活性化することを活性炭生物学的再生法といいます。この方法の利点は、廃棄物処理コストを削減しながら再生活性炭の目的を達成できることです。

活性炭の細孔サイズは非常に小さく、通常はわずか数ナノメートルです。これは、微生物が細孔に入ることができず、再生プロセス中に細胞の自己溶解（細胞の自己破壊）が発生することを意味します。酵素は細胞外空間に流れ、活性炭は酵素を吸着する作用があり、炭素表面に酵素中心を形成します。これは汚染物質の分解を触媒し、再生の目的を達成しました。

活性炭生物学的手法はシンプルで導入が容易で、投資と運用コストが低く抑えられます。ただし、水質や水温に大きく左右され、時間がかかります。

湿式酸化再生法

湿式酸化再生法は、活性炭再生の一般的な選択肢です。高温高圧下で、活性炭に吸着した有機物を酸素や空気を利用して酸化分解します。次いで、活性炭を反応器から取り出して洗浄する。有機物は完全に分解され、活性炭は吸着装置に戻されます。プロセス全体が 1 サイクルで完了します。

活性炭の最適な再生条件は次のとおりです:再生温度 230 °C、再生時間 1 時間、酸化 PO 20.6 MPa、炭素添加 15 g、水添加 300 mL。再生効率は 45±5% に達し、5 サイクルの再生後でも再生効率は 3% しか低下しませんでした。

活性炭表面の微細孔の部分酸化が再生効率低下の主な原因です。活性炭は部分的に酸化されると再生効率が低下します。活性炭が部分酸化する主な理由は、再生雰囲気中の酸素の存在です。

溶剤再生法

溶媒活性炭再生法は、溶媒の温度やpH値などの条件を変化させることにより吸着平衡を破り、活性炭から吸着物質を脱離させる方法です。この方法は、活性炭、溶媒、吸着物質の間の相平衡を利用して有利に行います。溶媒の温度とpH値を変えることにより、吸着物質は強制的に活性炭から離れ、溶媒中に回収されます。

溶剤活性炭再生法の利点は、再生期間が短く、吸着効率が高く、二次汚染が発生しないことである。主な欠点は、再生コストが高く、プロセスが複雑で、全体的な水処理コストが増加することです。

溶剤活性炭再生法は、高濃度・低沸点の有機性廃水の吸着など可逆吸着に適しています。よりターゲットを絞ったものであり、多くの場合、溶媒は特定の汚染物質のみを脱着できますが、水処理プロセスでは広範囲の汚染物質が変化するため、特定の溶媒の適用範囲は狭くなっています。

電気化学的再生法

電気化学的活性炭再生法は、新しいタイプの活性炭再生技術です。この方法では、2つの主電極の間に活性炭を充填し、電解液に直流電場を加えます。電気化学的な酸化・還元作用により、活性炭に吸着した有機物が分解・分解され、活性炭が再生されます。この再生方法の利点は、短時間で行えることと、活性炭の利用効率が向上することです。また、この方法は有害な副産物を生成しないため、他の再生方法よりも環境に優しいです。

活性炭は電場の作用下で分極され、一端がアノード、もう一端がカソードとなり、微小電解槽を形成します。

電気化学的活性炭再生法は操作が簡単で高効率、低エネルギー消費であり、処理対象の制限が少なく、処理プロセスが完璧であれば二次汚染を回避することができます。