载咖啡因活性炭资源化技术及再生动力学研究

论文摘要

咖啡因生产过程中,采用活性炭脱色精制,从而产生含有咖啡因的废活性炭,该废炭成分复杂,再生难度较大,难以同时实现活性炭的再生和咖啡因的回收。本研究针对该活性炭的特点,探索了远红外热再生法处理载咖啡因废活性炭的工艺过程。实验研究了电阻丝加热、直接通电加热及远红外加热三种方式加热活性炭的升温规律,探讨了不同加热方式对活性炭升温速率及温度分布的影响,结果表明远红外加热可实现活性炭的均匀快速升温。研究了热场中活性炭的升温规律,得出加热过程中不同阶段的温升速率方程式。研究了影响载咖啡因活性炭再生的因素。分析了温度、再生时间、载气线速度、炭层厚度对活性炭再生率的影响,得到最佳操作条件:温度为650℃、再生时间为180min、载气线速度为0.002m/s、炭层厚度为0.1m。在此条件下,活性炭的再生率可以达到90.3%。研究了活性炭再生过程中咖啡因脱附的传质动力学。通过实验确定再生动力学方程中的各项常数,得出基于Bangham公式的咖啡因脱附动力学方程: q=0.301[1-exp（-0.2570t-1.3586）]对动力学方程理论计算值与实验测定值加以比较（理论计算误差最大为5.5%）,验证了所建立再生动力学方程的合理性。对活性炭再生前后的孔径结构进行了表征。测定了最佳工艺条件下活性炭的吸附等温线,研究了活性炭的比表面积及孔径分布变化情况,利用扫描电镜对活性炭的微观结构进行分析。结果表明:再生炭比表面积变小,中孔数量增加,表面粗糙度增大,部分孔结构被烧损,且烧损程度随着再生次数的增加而增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 目的和意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 热再生法
• 1.2.2 溶剂再生法
• 1.2.3 电化学再生法
• 1.2.4 湿式催化氧化再生
• 1.2.5 光催化再生法
• 1.2.6 超临界流体再生法
• 1.2.7 超声波再生法
• 1.2.8 微波辐射再生法
• 1.2.9 生物再生法
• 1.2.10 再生方法的选择
• 1.3 热再生技术应用现状
• 1.3.1 热再生法概况
• 1.3.2 热再生设备
• 1.4 实验理论基础
• 1.4.1 吸附及脱附作用
• 1.4.2 吸附等温线
• 1.4.3 吸附等温方程
• 1.4.4 吸附剂孔结构对吸附性能的影响
• 1.5 研究内容
• 第二章 实验装置及方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 实验材料及仪器
• 2.3 实验装置
• 2.3.1 再生实验装置
• 2.3.1.1 载气控制装置
• 2.3.1.2 热再生反应器
• 2.3.1.3 咖啡因冷凝器
• 2.3.2 吸附测定装置
• 2.4 加热方式的选择
• 2.4.1 电阻丝加热
• 2.4.2 直接通电加热
• 2.4.3 远红外加热
• 2.5 废活性炭性能测定
• 2.5.1 水分含量测定
• 2.5.2 咖啡因含量测定
• 2.5.3 亚甲基蓝吸附能力测定
• 第三章 活性炭在热场中的升温规律研究
• 3.1 实验内容
• 3.2 结果及分析
• 3.2.1 活性炭升温影响因素研究
• 3.2.1.1 远红外加热器功率对活性炭升温的影响
• 3.2.1.2 载气线速度对活性炭升温的影响
• 3.2.1.3 炭层高度对活性炭升温的影响
• 3.2.2 活性炭升温行为的定量描述
• 3.3 本章小结
• 第四章 再生影响因素探索及动力学方程推导
• 4.1 实验内容
• 4.2 实验结果及数据分析
• 4.2.1 加热温度对活性炭再生的影响
• 4.2.2 再生时间对活性炭再生的影响
• 4.2.3 炭层高度对活性炭再生的影响
• 4.2.4 载气线速度对活性炭再生的影响
• 4.2.5 正交试验
• 4.2.6 再生次数对再生率的影响
• 4.3 再生动力学方程推导
• 4.3.1 qm 的确定
• 4.3.2 k0 及Z0 的确定
• 4.3.3 再生动力学方程验证
• 4.3.4 脱附速率控制类型的确定
• 4.4 本章小结
• 第五章 再生活性炭的结构表征
• 5.1 吸附等温线测定
• 5.2 比表面积的确定
• 5.3 孔径分布的计算
• 5.4 活性炭微观结构分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献