電気化学的再生

活性炭ベースの吸着剤の電気化学的再生では、電気化学セル内で電流を使用して吸着剤の表面に吸着された分子を除去し、炭素の吸着能力を回復します。電気化学的再生は、廃水処理用途で一般的に使用される熱再生の代替手段です。一般的な吸着剤には、粉末活性炭 (PAC)、粒状活性炭 (GAC)、活性炭繊維などがあります。

廃水処理において、最も一般的に使用される吸着剤は粒状活性炭（GAC）であり、液相と気相の両方の揮発性有機化合物と有機汚染物質の処理によく使用されます。^{[1] [2]活性炭床の寿命は、除去される汚染物質の濃度、関連する}吸着等温線、入口流量、必要な排出許可によって異なります。これらの床の寿命は、数時間から数か月に及ぶことがあります。活性炭は耐用年数を過ぎると埋め立てられることが多いですが、再生して吸着能力を回復させ、再利用できる場合もあります。熱再生は最も普及している再生技術ですが、エネルギーと商業コストが高く、二酸化炭素排出量が大きいという欠点があります。 [ ^3]これらの欠点により、電気化学的再生などの代替再生技術の研究が促進されました。

活性炭床の吸着能力が汚染分子の吸着によって使い果たされると、炭素は電気化学セル（アノードまたはカソードのいずれか）に移動され、そこで電気化学的再生が起こります。

電気化学セルに電流を流すことで汚染物質の脱着を促進するメカニズムはいくつかある。電極で生成されたイオンは分割セル内の局所的な pH 条件を変え、吸着平衡に影響を与え、フェノールなどの有機汚染物質の炭素表面からの脱着を促進することがわかっている。[ ^{3] [4]}その他のメカニズムには、生成されたイオンと吸着された汚染物質との反応があり、その結果、活性炭に対する吸着親和性が低い種が形成され、その後脱着する、または炭素表面上の有機物が酸化分解される。^[5]主なメカニズムは脱着誘導再生に基づいていると認められている。電気化学効果は多孔質炭素の表面に限定されるため、バルク再生には影響しないからである。^{[3] [6]} さまざまな再生方法のパフォーマンスは、再生効率を使用して直接比較できる。これは次のように定義される。

${\displaystyle 再生効率={\frac {吸着および電気化学的再生後の活性炭の吸着容量}{バージン活性炭の吸着容量}}\times 100}$

カソードは還元電極であり、局所的な pH 条件を上昇させる OH ⁻イオンを生成します。pH の上昇は、汚染物質の溶液への脱着を促進する効果があり、汚染物質はアノードに移動して酸化され、破壊されます。カソード再生に関する研究では、10～100 mA の電流を流して 4 時間の再生時間で、フェノールなどの吸着有機汚染物質の再生効率が約 85% であることが示されています。^{[3]ただし、カソードとアノード間の}物質移動の制限により、大電流または長い再生時間を使用しない限り、カソードに残留汚染物質が残ることがよくあります。

陽極は酸化電極であるため、電気分解中に局所的に pH が低くなり、一部の有機汚染物質の脱着も促進されます。陽極室での活性炭の再生効率は、同じ再生時間と電流で陰極室で達成できる効率よりも 5～20% 低くなりますが、^{[3] [6]}、陽極の強力な酸化特性により残留有機物は観察されません。^[6]

炭素質吸着剤の大部分は、細孔の閉塞や印加電流による吸着部位の損傷により、サイクルを重ねるごとに再生効率が低下します。再生効率の低下は通常、サイクルごとにさらに2%です。^[3]現在の最先端の研究では、電気化学的再生によって吸着能力を100%再生できる吸着剤の開発に焦点が当てられています。^{[7] [8] [9]}

現在、市販されている炭素ベースの吸着電気化学再生システムの数は極めて限られています。存在するシステムの1つは、Nyexと呼ばれる炭素吸着剤を連続吸着再生システムで使用し、電気化学再生を利用して有機汚染物質を吸着して破壊するものです。^[10]