耦合水力超声空化与氧化的活性炭清洗再生工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种用于活性炭清洗再生的工艺及装置，属于活性炭清洗再生技术领域。

背景技术

对于工业废水的处理，目前最为常用的是活性炭吸附深度水处理工艺。普通活性炭的比表面积在500～1700m

但由于工业废水的成分非常复杂，活性炭的表面经常附着各种污物，导致其表面被污物包覆，影响其吸附性能，因此，活性炭的冲洗问题日益突出。活性炭再生方法包括加热再生法、无机药剂再生法、有机溶剂再生法和湿式空气氧化法等。

中国专利文献CN110652977A公开的一种高效活性炭清洗装置，将待清洗的活性炭置于壳体内，利用水流的冲击对活性炭进行冲洗；利用电机使得活性炭在壳体内转动，在转动过程中用叶片不断拍打周边的活性炭，使得清洗效果进一步提升，从而可靠的将杂质排出。

CN206854245U公开的活性炭清洗装置，是通过采用超声波发生仪加速活性炭与污染物的分离的工艺，提高了活性炭的清理效率。

CN106364851A公开的活性炭清洗机，是通过使用输送带输送活性炭通过五组清洗罐进行清洗，利用毛刷滚筒让输送带边缘的活性炭推到输送带的中间位置，避免输送带上的活性炭掉落，通过循环泵、回流管和多通管的相互作用，使得该装置的水利用率和环保性能得到提升。

上述活性炭清洗技术存在以下问题：

1.耗能大，成本高；

2.对活性炭的清洗不彻底；

3.在清洗过程中对活性炭本身有一定的破坏；

4.效率低，所需时间长。

发明内容

本发明针对现有活性炭清洗技术存在的不足，提出一种清洗效率高，再生效果好的耦合水力超声空化与氧化的活性炭清洗再生工艺，以及实现该工艺的装置，该装置将水力空化、超声空化与高级氧化耦合于一体。

本发明的耦合水力超声空化与氧化的活性炭清洗再生工艺，是:

将废弃活性炭、氧化剂(过硫酸钠)和造孔剂(碳酸钾)一起放入水中形成混合液，对混合液进行水力空化和超声波空化处理，实现活性炭清洗。

所述废弃活性炭、氧化剂(过硫酸钠)和造孔剂(碳酸钾)的质量比为10：1：10。

所述混合液的流量为1.5～4.5m

实现上述工艺的耦合水力超声空化与氧化的活性炭清洗再生装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴、氧化剂注入装置和废活性炭箱；定子为空心密封筒体，定子的两侧分别设置有进水管和排液管，定子上在进水管同侧连接氧化剂注入装置；定子内壁上分布有超声波换能器；转轴安装在定子中，一端与动力装置相连，在定子内设置有安装在转轴上的转子，转子上沿周向分布有叶片，叶片上分布有文丘里孔；废活性炭箱连接在进水管上。

所述定子内径为300～600mm，定子长度为200～500mm，壁厚度为15～40mm。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个、共2～6圈。

所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。

所述转子在转轴上轴向等距分布2～6个。所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。所述转子的转速(即转轴的转速)为4000～4500r/min。

所述文丘里孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述叶片长度为50～200mm，宽度为30～60mm，壁厚为10～30mm。所述叶片内带有空心(空腔)，文丘里孔分布在空腔两侧。中空结构为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。

所述文丘里孔的两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm。收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

所述文丘里孔在叶片的空心两侧均以4～10排，3～10列矩形阵列排布，以达到最佳活性炭清洗再生效果。叶片空心两侧的文丘里孔两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的文丘里孔的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述文丘里孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

所述氧化剂注入装置，包括氧化剂输送管、加药泵和氧化剂箱，氧化剂输送管一端通过加药泵与氧化剂箱连接，氧化剂输送管另一端连接在定子上。

为保证空化现象的形成并高效地实现活性炭清洗工艺，上述结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

上述装置采用旋转水力空化技术，创新地采用转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，耦合超声波可大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成。此外，空化气泡溃灭时产生的强湍流效应可加速臭氧化剂的快速溶解、混合，产生的极高温高压条件可极大加速反应速度，从而最终提高清洗再生处理效果，可获得远高于三者单独使用时处理效果的总和。此外，碳酸钾为造孔剂，碳酸钾兼具有物理活化和化学活化双重活化效应，高温下钾蒸汽会扩散入不同的碳层形成新的孔结构，且碳酸钾分解产生的CO

上述装置通过对活性炭清洗实验，在上述结构及参数下，获得如下结论：

单独使用氧化剂和造孔剂，待完全溶解后加入饱和活性炭(比表面积为280m

而采用本发明水力空化、超声空化与高级氧化耦合处理(设备参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为100mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为10mm，中央喉部内径为4mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个、共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W)，在转速4500rpm，超声波频率40kHz，流量为2.6m

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与高级氧化技术协同对活性炭进行清洗再生，远远比单独使用水力空化、超声空化或高级氧化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的水处理量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内文丘里孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空心结构为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；

4.本发明所述装置转子文丘里孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较未经精加工通孔空化效率可提高20％以上)；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与氧化剂输送管，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大活性炭清洗再生处理量的需求；

8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与高级氧化技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

10.本发明所述装置结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修；

11.本发明所述装置不局限于活性炭清洗再生，对于其他类型的杂质清洗也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述装置使用的氧化剂和造孔剂不局限于过硫酸钠和碳酸钾，使用其他类型的氧化剂和造孔剂也预计拥有良好的处理效果；

13.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

附图说明

图1是本发明活性炭清洗再生装置的结构示意图。

图2是本发明中定子和转子截面示意图。

图3是本发明中转子结构示意图

图4是本发明中的活性炭清洗再生工艺流程图。

图中：1.排液管，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.定子端盖，8.密封垫圈，9.定子，10.超声波换能器，11.超声波发生器，12.文丘里孔，13.转子，14.进水管，15.楔键，16.氧化剂输送管道，17.加药泵，18.氧化剂箱，19.空心，20.活性炭箱，21.过滤器，22.进水泵，23.出水泵，24.叶片。

具体实施方式

本发明的活性炭清洗再生装置耦合水力空化、超声空化与高级氧化，将三种工艺有效地结合于一体，其结构如图1所示，包括定子9、转子13、转轴4、超声波换能器10和氧化剂注入装置。

定子9为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖7，连接处有密封垫圈8，使得定子9内部形成密封的空腔。定子9中通过角接触球轴承5安装有转轴4，角接触球轴承5设置在密封盖2中，密封盖2固定连接在定子端盖7上，密封盖2上连接有密封端盖3，且连接处有密封圈，转轴4与左右定子端盖7之间设置有机械密封6，密封盖2处于将机械密封6外围，使定子9内部空腔形成密封结构。转轴4的一端伸出密封盖2并与动力装置连接，带动其上的转子13在定子9内转动，转轴4的转速为4000～4500r/min。

定子9中在转轴4上安装2～6个转子13，在转轴上轴向等距分布，并通过楔键15与转轴4固定。参见图2和图3，转子13为具有多个辐射状叶片的叶轮结构，每个转子13上共分布有4～10个叶片24，等间隔沿周向分布于转子13上。每个叶片24为中部带有空心19的中空梯形结构，空心19为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；每个叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，壁厚为10～30mm；每个叶片上均分布有特殊布置的文丘里孔12，文丘里孔12在叶片空心19的两侧相对分布。文丘里孔12的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。文丘里孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。文丘里孔12在叶片的两端均以4～10排，3～10列的矩形阵列排布，有利于水力空化现象的产生。叶片内空心19两侧的文丘里孔两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的文丘里孔的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述文丘里孔12内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

定子左侧端盖下部设置排液管1，定子右侧端盖上部设置进水管14。进水管14和排液管1对角设置，以防止产生短流现象。进水管14与排液管1分别与进水泵22与排液泵23相连，用于控制流量。进水管14上连接活性炭箱20，活性炭箱20用于盛放废活性炭。排液管1的末端连接过滤器21。

定子9内壁上装有超声换能器10，各个超声波换能器10均与外部的超声波发生器11连接。超声波换能器10等间距地沿轴向及周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。超声波发生器11的数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，强化清洗再生效果。

氧化剂注入装置包括氧化剂输送管16、加药泵17和氧化剂箱18，氧化剂输送管16一端通过加药泵17与氧化剂箱18连接，氧化剂输送管16另一端连接在定子右侧端盖下部。氧化剂箱18用于储存已经配置好的造孔剂和氧化剂的混合液，氧化剂和造孔剂分别为过硫酸钠和碳酸钾，混合液通过加药泵17由氧化剂输送管16输送至定子9内。转子13搅拌的湍流效果与空化现象产生的极端条件，强化了混合效果，加快反应速率，最终大大提高协同处理效果。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～70℃。

应用上述装置进行活性炭清洗的工艺流程如图4所示，具体过程如下所述。

将废弃活性炭盛放于活性炭箱20中，启动进水泵22，将水与废弃活性炭一起送至定子9中。同时，启动加药泵17，将氧化剂箱18中的混合液(氧化剂和造孔剂混合，氧化剂为过硫酸钠，造孔剂为碳酸钾)由氧化剂输送管16进入定子9内，混合液添加量为1.5～4.5g/h。进入定子9中的废活性炭、氧化剂和造孔剂的质量比为10：1：10。

再通过空化技术进行处理，实现活性炭清洗，最终得到再生的活性炭和废液、废气、废液经处理可重复使用，废气经过冷凝、炭吸附、回收后高空排放。

发生氧化反应，空化现象产生的极高温、高压条件大大提升了氧化剂的反应速率；高速剪切流体产生强湍流效应也提高了氧化剂的溶解效果与均匀程度，从而进一步增强处理效果。

启动动力装置，驱动转轴4转动，其上转子13随之高速旋转，使得叶片上的文丘里孔12高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器11把电转换成与超声波换能器10相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子9内壁上的超声换能器10，超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量并增强其溃灭强度，提高处理效率。

同时，由氧化剂输送管16进入定子9内的混合液发生氧化反应，空化现象产生的极高温、高压条件大大提升了氧化剂的反应速率；高速剪切流体产生强湍流效应也提高了氧化剂的溶解效果与均匀程度，从而进一步增强处理效果。

通过进水泵22和排液泵23的开启和关闭控制废活性炭和氧化剂在定子内的配比以及停放留时间。

空化气泡溃灭并释放出巨大的能量，其表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波与氧化剂处理工艺，三者可高效协同，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，从而最终提高清洗再生处理效果，可获得远高于三者单独使用时处理效果的总和。此外，碳酸钾为造孔剂，碳酸钾兼具有物理活化和化学活化双重活化效应，高温下钾蒸汽会扩散入不同的碳层形成新的孔结构，且碳酸钾分解产生的CO

处理后的混合液经排液管1流出，再进入进水管14进行循环处理，直至获得满意的处理结果。最终由过滤器21过滤，最终得到再生的活性炭和废液废气，废液经处理可重复使用，废气经过冷凝、炭吸附、回收后高空排放。

本发明中的结构与处理工艺参数是根据活性炭特点经过实际活性炭清洗再生实验所得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。