CN101767785A

CN101767785A - 剩余污泥与玉米芯混合制备高酸性基团含量活性炭的方法

Info

Publication number: CN101767785A
Application number: CN201010000084A
Authority: CN
Inventors: 张立秋; 封莉; 李道静
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2010-07-07

Abstract

本发明涉及利用城市污水处理厂剩余污泥及玉米芯制备具有高酸性基团含量的活性炭的方法。将干燥磨碎后的污泥和玉米芯用一定量的氯化锌溶液浸渍一定时间，烘干后放入马弗炉在一定温度下进行炭化、活化，最后经过洗涤、干燥得到剩余污泥与玉米芯混合基活性炭。所制得的活性炭吸附性能良好，具有较高的酸性基团含量。本发明所制得的活性炭具有阳离子交换特性，亲水性较强的特性，更易于吸附极性物质及金属离子。

Description

剩余污泥与玉米芯混合制备高酸性基团含量活性炭的方法

一、技术领域

本发明是关于利用城市污水处理厂剩余污泥及玉米芯制备具有高酸性基团含量的活性炭的方法。

二、背景技术

城市污水厂剩余污泥是污水处理系统产生的副产物，2008年我国污水排放总量达571.7亿吨，污泥排放总量达11.434亿吨(按污泥约为污水处理量2％计)。由于污泥中含有重金属、病原微生物等有毒有害物质，因此剩余污泥在农用、堆肥等方面的应用受到了限制，研究剩余污泥资源化利用的方法具有重大意义。玉米芯是玉米加工过程的副产品。2009年我国玉米总产量在1.5亿吨左右。按每生产100kg的玉米能产生16～18kg的玉米芯计算，玉米芯可达0.225亿吨。

利用剩余污泥制备活性炭，污泥中的有害有毒物质在高温下可以得到去除或固定。近几年，尽管利用污泥制备活性炭有了很多研究，但由于污泥含碳量低、灰分高等特性，大部分制得的污泥活性炭比表面积较低，孔隙结构不发达，吸附性能不是很理想，限制了其应用。另一方面，由于玉米芯具有含碳量高，灰分低的特点，并且属于植物原料，其中所含的大量纤维素和半纤维素在炭化活化过程中能够促进孔径结构的发育，因此，将剩余污泥与玉米芯掺杂将大大改善污泥活性炭的吸附性能。由于活性炭的吸附性能不仅与其比表面积与孔径分布有关，更与其表面官能团密切相关，因此探讨并利用污泥活性炭的表面官能团以提高污泥活性炭的特定吸附性能对于污泥活性炭的推广应用具有重要意义。

三、发明内容

本发明是针对剩余污泥本身的特点，提出一种将污泥与玉米芯掺杂制备具有特定吸附性能活性炭的方法。

制备活性炭的步骤如下：

1.将从污水处理厂取回的脱水污泥在通风避光处自然风干，玉米芯烘干。破碎过3mm筛。

2.将干污泥与玉米芯以10％～50％的比例混合，用氯化锌与水的质量比为30％～50％的氯化锌溶液作为活化剂，取混合料与氯化锌干重量比为1∶0.8～1∶1.6，浸渍24h，去除浮液，在105℃条件下烘干24h。

3.放入马弗炉升温至500℃～700℃进行炭化活化，活化时间为50min～90min。

4.待产物稍加冷却后，用0.1mol/L盐酸溶液加热煮沸20min后，继续用0.1mol/L盐酸溶液反复清洗，随之用蒸馏水清洗至残液成中性。然后干燥，磨碎，过200目筛得到粉末状污泥活性炭。

在实际生产中，可用其他农作物秸秆或农业废物代替玉米芯与污泥掺杂制备活性炭。

将活化温度、活化时间、氯化锌浓度、锌屑比(干燥污泥和无水氯化锌固体的质量之比)、污泥与玉米芯的掺杂比作为五个影响因素。设计正交试验并通过测定活性炭的碘吸附值确定制备活性炭的最佳工艺条件。结果表明在不同工艺条件下制备的活性炭具有不同的孔径分布特征，因此可以根据活性炭的不同应用范围选择不同的制备条件。其中掺杂玉米芯能增加活性炭中微孔的数量。在一定范围内延长活化时间，增大氯化锌浓度和锌屑比有利于制备中孔发达的活性炭。

本发明的特色在于：降低了活性炭的原料成本，解决了剩余污泥处置的难题，利用了玉米加工过程中的副产物，充分体现了变废为宝的原则。以该方法制得的活性炭表面平均酸性基团含量为2.53mmol/g，具有阳离子交换性强，亲水性较强的特征，适用于吸附重金属离子及极性物质。

附图表说明

图1污泥-玉米芯基活性炭制备工艺图

图2污泥-玉米芯基活性炭扫描电镜(×600)

图3污泥-玉米芯基活性炭扫描电镜(×1000)

具体实施方案

实施例一：

将污泥与玉米芯以质量比为1∶1的比例掺杂，用氯化锌与水的质量比为30％的氯化锌溶液浸渍24h，取干污泥与氯化锌的干重量比为1∶0.8，去除浮液，在105℃条件下干燥24h后，送入马弗炉内进行炭化活化。其中活化温度600℃，活化时间60分钟，在此条件下制备的活性炭的碘值为678mg/g，为同等条件下测得的商品木质粉末活性炭碘值的81％。比表面积为712.81m²·g^-1，约为商品活性炭比表面积的89.0％。

实施例二：

分别以污泥、玉米芯以及污泥与玉米芯的混合物为原料，在活化温度为600℃，活化时间为60分钟，氯化锌浓度为30％，锌屑比为1∶0.8，污泥与玉米芯混合物以1∶1混合的工艺条件下制备活性炭，并采用Boehm滴定法测定这几种活性炭的表面官能团，并与木质商品活性炭作对比，其结果见表2。具体操作步骤如下：

对某一待测炭样，准确称取4份重为1.0g的样品，并各自放入250ml的碘量瓶中，然后在这四个瓶子中分别加入25ml 0.1mol/L的HCl溶液、0.1mol/L的NaOH溶液、0.1mol/L的Na₂CO₃溶液、0.1mol/L的NaHCO₃溶液，振荡30min，于25℃的恒温槽中静置48h平衡后过滤。精确量取四种滤液各10ml，分别稀释到50ml。

(1)用标准0.1mol/L的NaOH溶液滴定浸泡前后盐酸溶液的变化，测定出样品吸附盐酸的量，计算出单位质量的样品所消耗的盐酸的量，作为其表面碱性基团的数量；

碱性基团数量＝HCl溶液消耗量

(2)用标准0.1mol/L的盐酸溶液滴定浸泡前后NaOH溶液的变化，测定出样品吸附NaOH的量，计算出单位质量的样品所消耗的NaOH的量，作为其表面酸性基团的数量；

酸性基团数量＝NaOH溶液消耗量

(3)用标准0.1mol/L的盐酸溶液滴定浸泡前后Na₂CO₃溶液的变化，测定出样品吸附Na2CO3的量，计算出单位质量的样品所消耗的Na₂CO₃的量，计算出其表面酚羟基的数量；

酚羟基量＝NaOH溶液消耗量-Na₂CO₃溶液消耗量

(4)用标准0.1mol/L的盐酸溶液滴定浸泡前后NaHCO₃溶液的变化，测定出样品吸附NaHCO₃的量，计算出单位质量的样品所消耗的NaHCO₃的量，作为其表面羧基的数量。

羧基数量＝NaHCO₃溶液消耗量

表2

由表2中的数据可以看出，采用该法可制备出表面酸性基团居多的活性炭。所以此污泥活性炭具有阳离子交换特性，亲水性较强，适用于吸附重金属离子以及极性物质。

按照中华人民共和国标准《木质活性炭实验方法苯酚吸附值的测定》(GB/T12496.12-1999)中的方法测定所制活性炭的苯酚吸附值，结果表明，所制活性炭的苯酚吸附值随着表面酸性基团的增加而增大，最大可达204.75mg/g，相当于商品活性炭苯酚吸附值的3倍。由此证明了污泥活性炭表面酸性基团所发挥的重要作用。

Claims

1.一种剩余污泥与玉米芯混合制备高酸性基团含量活性炭的方法，包括如下步骤

a、将城市污水处理厂污泥自然风干，玉米芯烘干，破碎至3mm。b、将干污泥与玉米芯以10％～50％的比例混合，以30％～50％的氯化锌作为活化剂，取混合料与氯化锌干重量比为1∶0.8～1∶1.6，浸渍24h，去除浮液，在105℃条件下烘干24h.c、放入马弗炉升温至500℃～700℃进行炭化活化，活化时间为50min～90min。e、待产物稍加冷却后进行酸洗、水洗并干燥得到活性炭。

2.根据权利1所述的剩余污泥与玉米芯制备高酸性基团含量活性炭的方法，其特征在于，以干污泥与玉米芯为原料，氯化锌为活化剂。

3.根据权利1所述的剩余污泥与玉米芯制备高酸性基团含量活性炭的方法，其特征在于，玉米芯的混合比为10％～50％。

4.根据权利1所述的剩余污泥与玉米芯制备高酸性基团含量活性炭的方法，其特征在于，优选30％的氯化锌溶液，污泥与氯化锌的干重量比为1∶0.8～1.6。

5.根据权利1所述的剩余污泥与玉米芯制备高酸性基团含量活性炭的方法，其特征在于，优选600℃的活化温度。

6.根据权利1所述的剩余污泥与玉米芯制备高酸性基团含量活性炭的方法，其特征在于，优选50min～60min的活化时间。