Advanced oxidant regeneration of granular activated carbon for controlling air‐phase VOCs

Abstract

Abstract The Pennsylvania State University is researching an advanced oxidation (AO) system for controlling volatile organic compounds (VOCs) (Cannon et al. 1994). The system includes an air‐phase photolytic chamber, an air/water stripping tower, and granular activated carbon (GAC) beds, and the work herein describes he evaluation of the GAC beds. Field GACs have been evaluated, which had previously been loaded with VOCs and regenerated with AO for several years at several full scale installations. Full scale response then was simulated in laboratory‐scale experiments. Results revealed that following 500 to 1000 daily loading and regeneration cycles, one field GAC lost 35% of its micropore volume, and 17–35% of its capacity to adsorb several VOCs. Under another condition, for a furniture coating GAC, 80% of the micropore volume was lost after several years of loading and reactivation cycles, and 23 to 63% of the VOC adsorption capacity was lost. Laboratory results revealed that prolonged AO regeneration destroyed or desorbed most of the MIBK within the first inch of a GAC bed. AO regeneration also removed a fourth of the MIBK in the next five inches of the packed GAC bed. Several byproducts were created by the MIBK destruction, which generally contained one‐to‐three fewer carbon atoms than does MIBK, and also contained more oxygen functional groups. Concurrent with these experiments, thermogravimetric analysis (TGA) tests were performed to evaluate the rate and extent of MIBK adsorption onto virgin GAC, and revealed that the MIBK adsorption capacity was fairly insensitive to the ranges of concentration and temperature that were employed. A modeling analysis of the diffusion characteristics onto virgin GAC revealed that during the time frame of three to five hours, the mass transfer rate appeared to be governed by restricted diffusion. Résumé Un système d'óxydation avancée (AO) pour le contrôle des composés organiques volatils (VOCs) et comprend une chambre de réaction photolytique en phase gazeuse, une tour de strippage et une filtration sur charbon actif (GAC). L'étude présentée concerne l'évaluation des filtres GAC. Des filtres industrielles GAC, saturés de VOCs, et régénérés par AO pendant plusieurs années ont été examinés sur plusieurs installations existantes. Les résultats ont été ensuite simulés lors d'éssais à l'échelle du laboratoire. À la suite de 500 à 1000 cycles de saturation‐régénération, un filtre industriel a perdu 35% du volume de micropores, et 12–35% de capacité d'adsorption vis‐à‐vis de plusieurs VOCs. Dans un autre cas, un GAC ayant fonctionné plusieurs années a perdu 80% de son volume de micropore et 23 à 63% de sa capacité d'adsorption. Les résultats des essais en laboratoire ont révélé que la régénération AO a détruit du désorbé la plus grande partie du MIBK de la première couche du lit de GAC (quelques centimètres). La régénération AO a aussi éliminé 25% du MIBK fixé sur la couche suivante de GAC (15 cm). Plusieurs sous‐produits de réaction ont été produits par la déstruction du MIBK; les sous‐produits contiennent généralement de un à trois carbone de moins que le MIBK et comprennent plus de groupement fonctionnels oxygènés. Zusammenfassung Ein modernes Oxidationssystem (AO) zur Entfernung leichtflüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) beinhaltet eine photolytische Kammer in der Gasphase, einen Luft/‐Wasser‐Stripturm und Kornkohlefilter (GAC). Die vorliegende Arbeit beschreibt die GAC‐Filter. Es wurden in der Praxis mit VOCs beladene GAC‐Filter, die mehrere Jahre mit AO in Großanlagen regeneriert wurden, untersucht. Im Labormaßstab wurden dann die Ergebnisse simuliert. Bei täglich 500 ‐ 1000 Beladungen und Regenerationen verlor eine GAC (Kornkohle) 35% ihres Mikroporenvolumens und 17 ‐ 35% ihrer Adsorptions‐kapazität für VOCs. In einem Fall einer Möbellackiererei verminderte sich nach mehreren Jahren das Mikroporenvolumen um 80 % und die Adsorptionskapazität auf 23 ‐ 64%. Labortests zeigten, daß lange AO‐Regeneration die meisten MIBK (Methyl‐Isobutyl‐Ketone) in den ersten Zentimetern der Aktivkohle zerstörte oder desorbierte. Die AO‐Regeneration entfernte auch ein Viertel der MIBK innerhalb der nächsten 15 Zentimeter im Filter. Durch die Zersetzung der MIBK entstanden mehrere Abbauprodukte, die im allgemeinen 1 bis 3 weniger C‐Atome enthielten und mehr funktionelle Sauerstoffgruppen aufwiesen.