Regeneracja elektrochemiczna

Regeneracja elektrochemiczna adsorbentów na bazie węgla aktywnego polega na usunięciu zaadsorbowanych na powierzchni adsorbentu cząsteczek za pomocą prądu elektrycznego w ogniwie elektrochemicznym , przywracając węglu zdolność adsorpcyjną . Regeneracja elektrochemiczna stanowi alternatywę dla regeneracji termicznej powszechnie stosowanej w oczyszczaniu ścieków . Typowe adsorbenty obejmują sproszkowany węgiel aktywny (PAC), granulowany węgiel aktywny (GAC) i włókno węgla aktywnego.

Regeneracja do ponownego wykorzystania adsorbentu

W oczyszczaniu ścieków najczęściej stosowanym adsorbentem jest granulowany węgiel aktywny (GAC), często stosowany do oczyszczania zarówno lotnych związków organicznych w fazie ciekłej, jak i gazowej oraz zanieczyszczeń organicznych . Złoża węgla aktywnego mają różną żywotność w zależności od stężenia usuwanych zanieczyszczeń, związanych z nimi izoterm adsorpcji , natężenia przepływu na wlocie i wymaganych zezwoleń na zrzut. Żywotność tych łóżek może wahać się od godzin do miesięcy. Węgiel aktywny często trafia na składowiska pod koniec swojego okresu użytkowania, ale czasami udaje się go zregenerować, przywracając mu zdolność adsorpcyjną pozwalającą na jego ponowne wykorzystanie. Regeneracja termiczna jest najbardziej wydajną techniką regeneracji, ale ma wady związane z wysokimi kosztami energetycznymi i handlowymi oraz znacznym śladem węglowym . Te wady zachęciły do ​​badań nad alternatywnymi technikami regeneracji, takimi jak regeneracja elektrochemiczna.

Elektrochemicznie regenerujące węgle aktywne

Gdy pojemność adsorpcyjna złoża węgla aktywnego zostanie wyczerpana przez adsorpcję cząsteczek zanieczyszczeń, węgiel jest przenoszony do ogniwa elektrochemicznego (do anody lub katody ) , w którym może nastąpić regeneracja elektrochemiczna.

Zasady

Istnieje kilka mechanizmów, dzięki którym przepuszczanie prądu przez ogniwo elektrochemiczne może sprzyjać desorpcji zanieczyszczeń. Jony generowane na elektrodach mogą zmieniać lokalne warunki pH w podzielonej komórce, co wpływa na równowagę adsorpcji i, jak wykazano, sprzyja desorpcji zanieczyszczeń organicznych, takich jak fenole, z powierzchni węgla. Inne mechanizmy obejmują reakcje między wytwarzanymi jonami a zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami, w wyniku których powstają związki o niższym powinowactwie adsorpcyjnym do węgla aktywnego, które następnie desorbują lub utleniające niszczenie substancji organicznych na powierzchni węgla. Uzgodniono, że główne mechanizmy opierają się na regeneracji indukowanej desorpcją, ponieważ efekty elektrochemiczne są ograniczone do powierzchni porowatych węgli, więc nie mogą być odpowiedzialne za regenerację objętościową. Wydajność różnych metod regeneracji można bezpośrednio porównać na podstawie wydajności regeneracji. Jest to zdefiniowane jako:

$\ Displaystyle Regeneracja \;Wydajność={\frac {adsorpcyjna\;pojemność\;węgla\;aktywowanego\;po\;adsorpcji\;i\;elektrochemicznej\;regeneracji}{adsorpcyjnej\;pojemności\;pierwotnej\; aktywowany\;węgiel}}\razy 100}$

Regeneracja katodowa

Katoda jest elektrodą redukującą i generuje jony OH- ^, które podwyższają lokalne warunki pH. Wzrost pH może sprzyjać desorpcji zanieczyszczeń do roztworu, gdzie mogą one migrować do anody i ulegać utlenieniu, a tym samym zniszczeniu. Badania nad regeneracją katodową wykazały skuteczność regeneracji adsorbowanych zanieczyszczeń organicznych, takich jak fenole, rzędu 85% w oparciu o czas regeneracji wynoszący 4 godziny przy zastosowanych prądach w zakresie 10-100 mA. Jednak ze względu na przenoszenia masy między katodą a anodą, w katodzie często pozostają szczątkowe zanieczyszczenia, chyba że stosuje się duże prądy lub długie czasy regeneracji.

Regeneracja anodowa

Anoda jest elektrodą utleniającą iw rezultacie ma niższe lokalne pH podczas elektrolizy, co również sprzyja desorpcji niektórych zanieczyszczeń organicznych. Skuteczność regeneracji węgla aktywnego w przedziale anodowym jest niższa niż osiągalna w przedziale katodowym o 5-20% dla tych samych czasów regeneracji i prądów, jednak nie obserwuje się pozostałości organicznych ze względu na silnie utleniający charakter anody.

Wielokrotna regeneracja adsorpcyjna

Dla większości adsorbentów węglowych skuteczność regeneracji zmniejsza się w kolejnych cyklach w wyniku zatykania porów i uszkodzenia miejsc adsorpcji przez przyłożony prąd. Spadki wydajności regeneracji wynoszą zazwyczaj kolejne 2% na cykl. Obecne wiodące badania koncentrują się na opracowaniu adsorbentów zdolnych do regeneracji 100% swojej pojemności adsorpcyjnej poprzez regenerację elektrochemiczną.

Systemy komercyjne

Obecnie istnieje bardzo ograniczona liczba komercyjnie dostępnych układów adsorpcyjno-elektrochemicznej regeneracji na bazie węgla. Jeden istniejący system wykorzystuje adsorbent węglowy o nazwie Nyex w ciągłej adsorpcji-regeneracji , który wykorzystuje regenerację elektrochemiczną do adsorpcji i niszczenia zanieczyszczeń organicznych.