高效炭濾罐的結(jié)構(gòu)及其在電鍍廢水處理中的應(yīng)用

彭?yè)P(yáng)波

（廣東高力集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528247）

【儀器設(shè)備】

高效炭濾罐的結(jié)構(gòu)及其在電鍍廢水處理中的應(yīng)用

彭?yè)P(yáng)波

（廣東高力集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528247）

介紹了一種具有流化床結(jié)構(gòu)的新型高效炭濾罐的主要結(jié)構(gòu)，給出了該炭濾罐在電鍍廢水處理中應(yīng)用的實(shí)例。采用該炭濾罐可提高活性炭的吸附效率，減輕操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。它可用于冶金、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的活性炭吸附、固液分離、氣體凈化、油水分離和噪聲處理，是一種多用途的實(shí)用新型設(shè)備。

活性炭；過(guò)濾器；流體；流化床；固定床；電鍍廢水；處理

活性炭在冶金、化工、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近幾年對(duì)活性炭的應(yīng)用表明，環(huán)保問(wèn)題是推動(dòng)活性炭生產(chǎn)發(fā)展及消費(fèi)量增加的主要推動(dòng)力［1］?？梢?jiàn)活性炭是保護(hù)環(huán)境的大角色，環(huán)保是活性炭的大用戶，是將在發(fā)展中國(guó)家具有產(chǎn)業(yè)規(guī)模的大商品［2］。但是，應(yīng)用活性炭的設(shè)備──活性炭過(guò)濾器（即吸附床）未曾見(jiàn)有改進(jìn)，陳舊的設(shè)備結(jié)構(gòu)已不利于當(dāng)代活性炭的應(yīng)用和推廣。

目前的活性炭過(guò)濾器（下稱老式炭罐）的兩端是球面封頭，中段為圓筒，罐外有活性炭和流體的進(jìn)出口法蘭，內(nèi)部有布水器、網(wǎng)篩管過(guò)濾器和活性炭床層。根據(jù)活性炭進(jìn)出口位置的不同，老式炭罐有 5種結(jié)構(gòu)：罐頂部的同一個(gè)管口裝炭和卸炭；罐側(cè)面的同一人孔裝炭和卸炭；罐側(cè)面的上人孔裝炭和下人孔卸炭；罐側(cè)面的人孔裝炭和罐底部的管口卸炭；罐頂部的管口裝炭和罐底部的人孔卸炭。無(wú)論哪一種結(jié)構(gòu)，活性炭的進(jìn)出口都使用了大小不一、拆裝耗時(shí)的法蘭盲板，其操作的勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合頻繁更換活性炭的工序［3］。

老式炭罐內(nèi)的活性炭顆粒堆積在一起，當(dāng)流體（液體、氣體）自上而下流過(guò)活性炭床層時(shí)，流道曲折多變，流速快慢不一，流動(dòng)狀態(tài)各異［4］，活性炭顆粒的表面不能充分接觸流體中應(yīng)該被它吸附的物質(zhì)，因此吸附的效率低。另外，流體會(huì)在床截面上流動(dòng)阻力小的區(qū)域通過(guò)而形成“短路”，被截留在床的上界面的懸浮物會(huì)減小流體的流量和增大過(guò)濾的壓力；由于此類床有深度過(guò)濾的特點(diǎn)［4］，黏性的膠體和細(xì)菌在重力和動(dòng)量的作用下會(huì)與顆粒抱團(tuán)結(jié)塊而產(chǎn)生溝流，令活性炭的吸附效率越來(lái)越低。另外，粉末的活性炭在老式炭罐中不能成床，所以，老式炭罐不能用粉末活性炭。

如果流體自下而上流過(guò)活性炭顆粒床，將大量固體顆粒（即活性炭）懸浮于流動(dòng)的流體之中，并在流體作用下使顆粒做類似于液體沸騰的翻滾運(yùn)動(dòng)來(lái)完成活性炭的吸附［5］，就克服了老式炭罐所有的缺陷。為此筆者探索了3年，制造了一種實(shí)用的新型炭罐──高效炭濾罐［6］，它是一種活性炭吸附的流化床，有較高的活性炭吸附效率，能實(shí)現(xiàn)活性炭快裝快卸，減輕了換炭的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可使用粉末活性炭。另外，高效炭濾罐還可用于固液分離、氣體凈化、油水分離和噪聲處理，是一種多功能設(shè)備。

1　技術(shù)方案

1. 1設(shè)計(jì)目標(biāo)

能快捷地打開(kāi)和關(guān)閉炭罐的活性炭進(jìn)口與出口的蓋板，能實(shí)現(xiàn)活性炭快裝快卸，降低換炭操作的勞動(dòng)強(qiáng)度；能使活性炭顆粒在流體中呈流化態(tài)，流體分布均勻且不會(huì)發(fā)生“短路”，不會(huì)導(dǎo)致活性炭顆粒結(jié)塊，能提高活性炭的吸附效率；能使用粉末活性炭；具有多種用途。

1. 2設(shè)備結(jié)構(gòu)

如圖1所示，高效炭濾罐的結(jié)構(gòu)包括進(jìn)炭口1、罐體2、出炭口3、快開(kāi)門(mén)4及支腳5。

圖1　高效炭濾罐的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1　Schematic diagram of high-efficiency activated carbon filter

進(jìn)炭口1設(shè)置有進(jìn)料管11、蓋板12、提手13；進(jìn)料管11與格柵板221連通；作為優(yōu)選的方案，進(jìn)料管11的管徑是100 ～ 600 mm；蓋板12是插扣式快開(kāi)盲板、卡箍式快開(kāi)盲板或鎖環(huán)式快開(kāi)盲板。

罐體2設(shè)置有上部的過(guò)濾倉(cāng)21及下部的罐錐體22；作為優(yōu)選的方案，罐體2的材質(zhì)是不銹鋼、鑄鋼或鑄鋼上襯膠。

過(guò)濾倉(cāng)21設(shè)置有格柵板211；格柵板211設(shè)置有安裝孔2111、過(guò)濾管2112、接頭2113；過(guò)濾管2112通過(guò)接頭2113安裝在安裝孔2111內(nèi)；過(guò)濾管2112是燒結(jié)網(wǎng)過(guò)濾管、燒結(jié)氈過(guò)濾管、粉末燒結(jié)過(guò)濾管、線纏繞過(guò)濾管或網(wǎng)篩過(guò)濾管等。

罐錐體22設(shè)置有流體輸送管221、再生液出口222、炭層223、填料層224；炭層223是各種材質(zhì)和形狀的活性炭；填料層224是石英砂、無(wú)煙煤、瓷砂或塑料球等。

流體輸送管221設(shè)置有流體出口2211、壓縮空氣入口2212、再生藥液入口2213、視鏡2214、自來(lái)水入口2215；壓縮空氣入口2212與再生藥液入口2213分別設(shè)置在流體輸送管221的上側(cè)，視鏡2214的一端設(shè)置在流體輸送管221的上側(cè)，另一端與過(guò)濾倉(cāng)21連通；自來(lái)水入口2215與流體出口2211分別在流體輸送管221的兩端。

出炭口3設(shè)置有布水管31、隔膜壓力表32；布水管31設(shè)置有流體進(jìn)口311、排空口312、布水孔313；流體進(jìn)口311與排空口312分別在布水管31的兩端；若干個(gè)內(nèi)徑為10 mm的布水孔313設(shè)置在布水管31的下側(cè)；作為優(yōu)選的方案，出炭口3的管徑是300 ～ 600 mm，布水管31的管徑是50 ～ 150 mm。

快開(kāi)門(mén)4設(shè)置有萬(wàn)向節(jié)41、開(kāi)關(guān)氣缸42、鎖扣氣缸43。

支腳5設(shè)置有耳架51、支桿52；耳架與罐體2相連；作為優(yōu)選的方案，支腳5是3 ～ 4個(gè)，均分在罐體2的周圍。

1. 3設(shè)備性能

該高效炭濾罐的進(jìn)炭口盲板和出炭口快開(kāi)門(mén)均有良好的氣密性，打開(kāi)或關(guān)閉進(jìn)炭口盲板的時(shí)間只需要十幾秒；另外，打開(kāi)或關(guān)閉出炭口快開(kāi)門(mén)的時(shí)間也只需要十幾秒。因此，活性炭的進(jìn)出口都實(shí)現(xiàn)了快開(kāi)快關(guān)，操作方便。

進(jìn)炭口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為漏斗形，借用活性炭的輸送設(shè)施給高效炭濾罐加注活性炭時(shí)十分方便，如果在流體輸送管上安裝抽風(fēng)管道，保持過(guò)濾倉(cāng)內(nèi)微小的負(fù)壓，可以避免炭灰的揮發(fā)，同時(shí)在過(guò)濾管外形成助濾層。罐錐體的上部是圓柱、下部是圓臺(tái)，打開(kāi)快開(kāi)門(mén)后，填料與活性炭會(huì)立刻卸下，再往流體輸送管中注入氣-水混合物，很容易將過(guò)濾管外壁和炭罐內(nèi)壁上的余炭清洗干凈，還對(duì)過(guò)濾管有再生作用，即卸炭、清洗和再生一起完成，操作的勞動(dòng)強(qiáng)度小，能快捷地更換活性炭，這是老式炭罐無(wú)法媲美的。

過(guò)濾倉(cāng)中過(guò)濾管的數(shù)量宜盡量多，其數(shù)量是由格柵板的直徑和過(guò)濾管的外徑?jīng)Q定的。根據(jù)活性炭的粒度選擇過(guò)濾管的精度（最小的過(guò)濾孔徑為0.5 μm），而過(guò)濾管的下端與床濃相區(qū)的上界面需要有一定的距離，即預(yù)留床層的膨脹空間。再生液出口的標(biāo)高離濃相區(qū)上界面的距離不能太大，不然過(guò)濾管和活性炭再生時(shí)產(chǎn)生的廢液量大。

流體進(jìn)入高效炭濾罐的壓力是0.20 ～ 0.35 MPa，當(dāng)活性炭的粒度和密度小時(shí)，輸入的壓力宜小，反之亦然，目的是使流體的流速高于該床的臨界流化速率，而低于活性炭顆粒被帶出的速率。這源于當(dāng)流體與顆粒之間的摩擦阻力小于其凈重力（重力減去浮力）時(shí)，顆?；旧响o止不動(dòng)，即顆粒層為吸附效率低的固定床，只有當(dāng)流體與顆粒之間的摩擦阻力恰好與其凈重力相平衡時(shí)，這種床層才為流化床［5］。當(dāng)輸入流體的壓力過(guò)大，流體在床中的實(shí)際流速超過(guò)了顆粒的沉降速率，流化床的上界面就會(huì)消失，活性炭的顆粒將會(huì)被帶出，此時(shí)過(guò)濾管使它返回床層。

活性炭是疏水性的，浸泡在液體中其膨脹很小，也無(wú)黏性，因此，過(guò)濾管外的活性炭很容易被洗脫。另外，過(guò)濾管外的活性炭層能較好地解決黏性濾餅的脫渣問(wèn)題。

需要注意的是：流體（包括液體、氣體）不能腐蝕罐體和配件，而且流體的溫度不能超過(guò)過(guò)濾管或密封件的材料要求。

流體從布水管進(jìn)入床層后，活性炭顆粒的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜?？傮w而言，顆粒總是做上下往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還有雜亂無(wú)章的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)造成顆粒的軸向混合。隨著顆粒的循環(huán)，部分流體也有相應(yīng)的循環(huán)和混合［5］，這樣就消除了活性炭抱團(tuán)結(jié)塊，也避免了流體產(chǎn)生“短路”，使活性炭的表面能充分地接觸到可被它吸附的物質(zhì)，從而提高了吸附效率。

填料顆粒的直徑是4 ～ 8 mm，填料層的厚度覆蓋布水管的上側(cè)即可。當(dāng)使用粒度小的（如粉末）活性炭時(shí)，需要增加50 mm厚的小粒徑填料層（顆粒直徑2 ～ 4 mm），這樣就充分地構(gòu)成了流化床的填充式分布板，能使床中的流體均勻分布。因填料的密度大，故填料層是固定的床層。其中石英砂和無(wú)煙煤用于堿性或中性流體，而塑料球和瓷砂常用于酸性流體。

粉末活性炭的粒度范圍是200 ～ 325目（顆粒直徑75 ～ 44 μm），因此過(guò)濾管的精度要小于44 μm，才能使粉末活性炭的顆粒返回床層。在加注粉末的活性炭前，需要先加入20 ～ 30目的顆粒狀活性炭，其質(zhì)量為粉末活性炭的10%即可，起承載粉末活性炭的作用，以減少粉末活性炭進(jìn)入填料層，避免停車排空時(shí)活性炭被排出罐外。

當(dāng)高效炭濾罐的流量變小或每次停車時(shí)，需要用氣-水混合物適量反洗過(guò)濾管，以保持過(guò)濾管的時(shí)效。其中氣體的壓力是0.30 ～ 0.50 MPa，自來(lái)水的壓力是0.20 ～ 0.30 MPa。當(dāng)過(guò)濾管堵塞嚴(yán)重時(shí)，先用30%硫酸或50%氫氧化鈉浸泡或循環(huán)，再用氣-水混合物清洗過(guò)濾管。處理電鍍廢水的實(shí)踐證明，氫氧化鈉的效果比硫酸好。由此可見(jiàn)，再生過(guò)濾管操作簡(jiǎn)單，可反復(fù)使用。

往炭罐中加入30%硫酸或50%氫氧化鈉又或熱蒸氣，可以直接在高效炭濾罐內(nèi)再生飽和后的活性炭。其中，用堿再生吸附CODCr的高比表面活性炭，一次再生率達(dá)94.22%，二次再生率達(dá)86.90%［1］。用熱蒸氣時(shí)，其溫度不能超過(guò)過(guò)濾管和密封件材料的承受能力，使用的壓力是0.20 ～ 0.40 MPa。

當(dāng)高效炭濾罐內(nèi)不加裝活性炭時(shí)，可用于固液分離、氣體凈化、油水分離以及噪聲處理，此時(shí)過(guò)濾管的長(zhǎng)度要盡量長(zhǎng)，使過(guò)濾的總面積最大，而過(guò)濾的精度由所用過(guò)濾管的孔徑?jīng)Q定。

如果高效炭濾罐的管路上都使用電動(dòng)閥或氣動(dòng)閥，再與工控機(jī)（內(nèi)置可編程邏輯控制器）相連就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，能自動(dòng)完成裝炭、卸炭、吸附和再生。

高效炭濾罐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，經(jīng)久耐用，維修方便，保養(yǎng)費(fèi)用少。

2　實(shí)際應(yīng)用

圖2所示為該高效炭濾罐的第一臺(tái)原形機(jī)，其材質(zhì)是304不銹鋼，筒體的外徑是1 000 mm；進(jìn)炭口的蓋板是插扣式快開(kāi)盲板（見(jiàn)圖3），進(jìn)料管的內(nèi)徑是150 mm；出炭口是雙氣缸快開(kāi)門(mén)（見(jiàn)圖4），其內(nèi)徑是300 mm；過(guò)濾管是PE（聚乙烯）燒結(jié)過(guò)濾管，精度為140 μm，外徑為38 mm，內(nèi)徑（公稱通徑）為DN20 mm，長(zhǎng)度為300 mm；填料層是25 kg粒度為4 ～ 8 mm的石英砂；炭床是300 kg粒度為15 ～ 25目的K03型椰殼活性炭，裝車耗時(shí)30 min。該炭濾罐安裝在平臺(tái)上。

圖2　第一臺(tái)原形機(jī)Figure 2　The first prototype model

圖3　進(jìn)炭口肓板Figure 3　Blind board of activated carbon inlet

圖4　出炭口快開(kāi)門(mén)Figure 4　Quick-open valve of activated carbon outlet

將CODCr為64.59 mg/L的電鍍廢水23.5 m3以0.25 MPa的壓力輸入高效炭濾罐內(nèi)，測(cè)得流體的成分變化如表1所示：CODCr減少了33.72 mg/L，去除率為52.2%；pH升高了0.66，這是活性炭自身的堿性在該過(guò)程中被釋放的結(jié)果；懸浮物（SS）減少了2.00 mg/L，去除率為20%，說(shuō)明高效炭濾罐還具有管式過(guò)濾機(jī)的微濾功能［7］。

表1　高效炭濾罐處理電鍍廢水的效果Table 1　Efficiency for treatment of electroplating wastewater by using the high-efficiency activated carbon filter

應(yīng)用老式炭罐做對(duì)比試驗(yàn)，用CODCr為61.47 mg/L的電鍍廢水23.5 m3為流體，一次過(guò)濾后其CODCr為34.79 mg/L，去除率為43.4%。

對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明，用質(zhì)量相同的同種活性炭處理CODCr濃度相近和成分相似的電鍍污水時(shí)，因設(shè)備結(jié)構(gòu)不同即床的結(jié)構(gòu)不同，其處理效果也不一樣，高效炭濾罐的吸附效率比老式炭罐高。這是因?yàn)楦咝繛V罐內(nèi)活性炭接觸污水中有機(jī)物的幾率更高。

3　結(jié)語(yǔ)

高效炭濾罐是一種新型的實(shí)用設(shè)備，能提高活性炭的吸附效率，實(shí)現(xiàn)了活性炭的快裝快卸，降低了操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了活性炭結(jié)塊與流體“短路”現(xiàn)象，特別是能使用經(jīng)濟(jì)的粉末活性炭，擴(kuò)大了活性炭的應(yīng)用范圍，是活性炭過(guò)濾器的一次革新。

高效炭濾罐的直徑越大，活性炭的用量就越大，停車排空時(shí)產(chǎn)生的余液也多，再生液和清洗水的量也大，要求安裝基礎(chǔ)的承載高，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大。作為優(yōu)選的方案，宜采用中小型的炭罐以多段穿透吸附的方式。

高效炭濾罐安裝在平臺(tái)上，操作方便，可以利用平臺(tái)下的空間，安裝運(yùn)輸廢炭的小車，進(jìn)一步降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

高效炭濾罐是應(yīng)用活性炭的設(shè)備，雖然能提高活性炭的吸附效率，但活性炭的吸附總?cè)萘坑苫钚蕴康牟馁|(zhì)、粒度及其活化工藝等因素決定［3］。

高效炭濾罐使用了精加工配件，因此市售價(jià)格高，但用于精、細(xì)的污水處理工藝時(shí)有較大的優(yōu)勢(shì)。

［1］ 沈曾民, 張文輝, 張學(xué)軍, 等. 活性炭材料的制備與應(yīng)用［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008： 118, 214.

［2］ 郟其庚. 活性炭的應(yīng)用［M］. 上海： 華東理工大學(xué)出版社, 2002： 92.

［3］ 彭明智. 活性炭處理電鍍廢水［J］. 電鍍與涂飾, 2014, 33 （11）： 482-486.

［4］ 大連理工大學(xué). 化工原理（上冊(cè)）［M］. 2版. 北京： 高等教育出版社, 2009： 177, 181.

［5］ 夏清, 陳常貴. 化工原理（上冊(cè)）［M］. 修訂版. 天津： 天津大學(xué)出版社, 2005： 189, 192.

［6］ 彭?yè)P(yáng)波. 一種高效炭濾罐： CN, 203803232 ［P］. 2014-09-03.

［7］ 宋顯洪. 工業(yè)生產(chǎn)上水處理用微孔精密過(guò)濾機(jī)［J］. 環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài), 1999 （2）： 15-19.

［ 編輯：周新莉 ］

Structure of high-efficiency activated carbon filter and its application to treatment of electroplating wastewater

// PENG Yang-bo

The structure of a novel high-efficiency activated carbon filter with fluidized bed was introduced. Its practical application to treatment of electroplating wastewater was presented. By using the given activated carbon filter, the absorption efficiency of activated carbon is increased, and the labor intensity during operation process is alleviated. The filter is a novel practical multipurpose equipment, which can be used for activated carbon adsorption, solid-liquid separation, gas purification, oil-water separation, and noise reduction in many fields, such as metallurgy, chemical industry, medicine, and environmental protection.

activated carbon； filter； fluid； fluidized bed； fixed bed； electroplating wastewater； treatment

's address： Guangdong Gaoli Group Co., Ltd., Foshan 528247, China

X781.1

A

1004 - 227X （2015） 05 - 0279 - 05

2014-09-23

2014-12-22

彭?yè)P(yáng)波（1990-），男，湖南安化人，研究員，主要從事表面處理方面的研究工作。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） 549979752@qq.com。