CN104495841A - 一种掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于去除污水中染料、酚类、金属离子等污染物的掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法。其技术方案是：将剩余污泥干燥至含水率为8％～10％，将干污泥与核桃壳分别粉碎至粒径为0.3～0.8mm，按质量比70～90:10～30将二者混匀；再加入硫酸锶粉末制得原料混合物；用氯化锌溶液浸渍24h后烘干；然后在400～500℃下炭化活化45～60min；将产物用盐酸洗涤，再用去离子水洗涤至pH为6～8；将产品烘干后研磨得到污泥活性炭。本方法以核桃壳作增碳剂，硫酸锶作催化剂，氯化锌为活化剂，采用一步炭化活化法制备污泥活性炭，实现了污泥的无害化处理；所得污泥活性炭孔隙丰富，比表面积高，吸附值大，本产品适用于污水处理。

Description

一种掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于去除水中染料，酚类，金属离子等污染物的掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法，它以剩余污泥为原料，掺杂核桃壳增加含碳量，添加硫酸锶作催化剂，使用氯化锌为活化剂，采用一步炭化活化制备污泥活性炭的新方法。

技术背景

城市污水处理厂剩余污泥是污水处理厂产生的主要废弃物，污泥因含有重金属、有机物、病原体等而成为一个潜在污染源。随着中国城市化的推进，城镇人口不断扩增，产生污水量不断增加，污水处理厂产生的污泥量也不断增加，污泥的处置正成为一个日益严重的问题。

剩余污泥的常见的处置方式有土地利用、焚烧和填埋。随着环境保护法律法规的日益严格，传统处置技术的成本将会上升，因此，需要寻找其他更为环境友好的处置方式。剩余污泥中含有丰富的有机物，经炭化活化处理后，可转化为具有吸附性的活性炭。将污泥转化为活性炭技术，既回收利用了污泥中的资源，得到了具有经济价值的产品，又妥善地处理了污泥，具有良好的环境效益和经济效益。许多研究已经证实，将污泥活性炭用于制作吸附剂显示出巨大的应用前景，因而污泥活性炭被人们广泛关注。

目前，对污泥活性炭的应用研究集中在水溶液中染料、酚类、金属离子等物质的去除上。然而，污泥活性炭的应用与产品的性能密切相关，这取决于污泥的性质与制备的条件。一般说来，制备活性炭的优质原料是固定碳和挥发分含量高而灰分含量低的含碳材料，如煤、木材、果壳等。然而，剩余污泥含碳较低灰分较高，制备出的污泥活性炭性能不佳，应用性不强。污泥活性炭相较于商品活性炭一般存在比表面积较低，孔隙结构中微孔比例小，主要是中孔和大孔，活性炭吸附值较低等问题。针对污泥原料的缺陷，本发明在污泥中掺杂核桃壳来提高原料的含碳量降低灰分，改善原料性质，提高污泥活性炭产品的性能。

制备活性炭主要包括炭化和活化两个过程。在活性炭的制备工艺中，炭化和活化工艺可分为两步法和一步炭化活化法。炭化是指原料的热解过程，炭化后得到具有一定强度和初始孔隙的炭素前驱体；活化是活化剂与炭素前驱体在一定条件下相互作用，对炭素前驱体的初始孔隙进行扩孔和发育出新孔道，以产生丰富的孔隙结构以及形成表面活性基团，得到活性炭。活化过程是制备活性炭最关键的步骤。活化可分为物理活化、化学活化和催化活化。物理活化通过水蒸气、二氧化碳等与炭素前驱体反应，使之活化；化学活化是使用化学活化剂对炭素前驱体进行处理，使其形成丰富的孔隙结构和表面活性基团；催化活化是添加催化剂对活化过程进行催化，是一种调控活性炭的孔径的有效手段。传统的污泥活性炭制备常采用化学活化法，使用活化剂有：磷酸、氢氧化钾和氯化锌等。对催化活化也有少量研究，使用催化剂有：铁、镍、锰的金属氧化物和盐类，以及软锰矿、钛铁矿等天然矿石。硫酸锶是天然矿石天青石的主要成分，可用作生产陶瓷、水泥等的添加剂，而将硫酸锶用于活性炭制备尚未见研究报道。本发明针对现有污泥活性炭的制备提出改进：在污泥中掺杂核桃壳提高原料含碳量，将化学活化与催化活化相结合，使用氯化锌为化学活化剂，硫酸锶作为催化剂，采用一步炭化活化制备污泥活性炭。制备的污泥活性炭比表面积大，微孔比例高，吸附值大，有效提高污泥活性炭的性能，使污泥活性炭实用性更强，应用更广。

发明内容

本发明的目的是，为了实现城市污水厂剩余污泥的稳定化、减量化，对剩余污泥无害化处理，提高原料含碳量，增大污泥活性炭的微孔数量，提高比表面积，提高吸附值，特提供一种掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法，以城市污水处理厂剩余污泥为原料，掺杂核桃壳为增碳剂，使用氯化锌为活化剂，添加硫酸锶作催化剂，采用一步炭化活化制备活性炭。具体步骤如下：

(1)将含水率在80～85％的城市污水处理厂剩余污泥送入烘箱干燥至含水率为8～10％，得到干污泥；再将干污泥和核桃壳分别粉碎过筛得到粒径为0.3～0.8mm的污泥颗粒或核桃壳颗粒，按照污泥颗粒质量百分比占70～90％，核桃壳颗粒质量百分比占10～30％的比例将二者混合均匀，制得颗粒混合物。

(2)将硫酸锶粉末按上述颗粒混合物总量的0.2～0.8％的比例加入到步骤1得到的颗粒混合物中，混合均匀，制得原料混合物。

(3)再将步骤2制得的原料混合物加入到氯化锌溶液中，混合均匀后在常温下浸渍24h，送入烘箱中于80℃下烘干24h，制得中间产物；浸渍所用氯化锌溶液浓度为2.0～4.0mol/L，浸渍时原料混合物与氯化锌溶液的质量比为1:2.5。

(4)然后将步骤3得到的中间产物放入箱式电阻炉中，在400～500℃下炭化活化45～60min，加热速率控制在5～15℃/min，制得活性碳化物。

(5)最后将步骤4制得的活性碳化物先用浓度为3mol/L的盐酸洗涤1～2次，再用温度为70～80℃的去离子水洗涤至pH为6～8，将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

本发明的有益效果是：本制备方法将化学活化和催化活化复合使用，通过一步炭化活化制备污泥活性炭，将污泥转化为具经济价值的活性炭，回收利用了城市污水处理厂剩余污泥，实现了污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化；本方法具有反应温度较低、时间较短，工艺简单，制得活性炭产品孔隙发达，吸附性能优良的特点；本方法将核桃壳掺杂到污泥中制备活性炭，提高原料含碳量，改善了污泥原料含碳量较低，灰分含量较高的缺陷；本方法首次将硫酸锶用作制备活性炭的催化剂，硫酸锶在污泥的炭化活化过程中催化积炭反应，促进碳微晶的形成，为新生炭提供更多骨架，促进微孔发育，有效改善了污泥活性炭的孔隙结构，制得活性炭微孔孔容增大，比表面积增加，吸附值提高，所得产品适用于污水处理。

具体实施方式

实施例1

(1)将含水率为80.6％的剩余污泥干燥至含水率为8％，得到干污泥；将干污泥和核桃壳分别粉碎过筛得到粒径为0.3～0.8mm的污泥和核桃壳颗粒，取污泥颗粒9.00g，核桃壳颗粒1.00g，将二者混合均匀。

(2)将0.02g硫酸锶粉末添加到步骤1得到的掺杂核桃壳的污泥原料中，混合均匀。

(3)将步骤2得到的原料混合物加入到氯化锌溶液中搅拌均匀在常温下浸渍24h，于80℃下烘干24h，浸渍所用氯化锌溶液浓度为2.0mol/L，浸渍质量比为1:2.5。

(4)将步骤3得到的中间产物放入箱式电阻炉中，以加热速率5℃/min升温至400℃，恒温45min。

(5)将步骤4制得活性碳化物冷却至室温后用浓度为3mol/L盐酸洗涤1次，再用70℃的去离子水洗涤至pH为7.0，将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

污泥活性炭碘值为486.64mg/g。

实施例2

(1)将含水率为80.6％的剩余污泥干燥至含水率为10％，得到干污泥；将干污泥和核桃壳分别粉碎过筛得到粒径为0.3～0.8mm的污泥和核桃壳颗粒，取污泥颗粒8.00g，核桃壳颗粒2.00g，将二者混合均匀。

(2)将0.04g硫酸锶粉末添加到步骤1得到的掺杂核桃壳的污泥原料中，混合均匀。

(3)将步骤2得到的原料混合物加入到氯化锌溶液中搅拌均匀在常温下浸渍24h，于80℃下烘干24h，浸渍所用氯化锌溶液浓度为2.5mol/L，浸渍质量比为1:2.5。

(4)将步骤3得到的中间产物放入箱式电阻炉中，以加热速率10℃/min升温至500℃，恒温60min。

(5)将步骤4制得活性碳化物冷却至室温后用浓度为3mol/L盐酸洗涤2次，再用70℃的去离子水洗涤至pH为6.5，将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

污泥活性炭碘值为574.71mg/g。

实施例3

(1)将含水率为80.6％的剩余污泥干燥至含水率为8％，得到干污泥；将干污泥和核桃壳分别粉碎过筛得到粒径为0.3～0.8mm的污泥和核桃壳颗粒，取污泥颗粒7.00g，核桃壳颗粒3.00g，将二者混合均匀。

(2)将0.06g硫酸锶粉末添加到步骤1得到的掺杂核桃壳的污泥原料中，混合均匀。

(3)将步骤2得到的原料混合物加入到氯化锌溶液中搅拌均匀在常温下浸渍24h，于80℃下烘干24h，浸渍所用氯化锌溶液浓度为3.0mol/L，浸渍质量比为1:2.5。

(4)将步骤3得到的中间产物放入箱式电阻炉中，以加热速率10℃/min升温至450℃，恒温60min。

(5)将步骤4制得活性碳化物冷却至室温后用浓度为3mol/L盐酸洗涤2次，再用温度为70℃的去离子水洗涤至pH为7.5，将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

污泥活性炭碘值为569.65mg/g。

实施例4

(1)将含水率为80.6％的剩余污泥干燥至含水率为8％，得到干污泥；将干污泥和核桃壳分别粉碎过筛得到粒径为0.3～0.8mm的污泥和核桃壳颗粒，取污泥颗粒8.00g，核桃壳颗粒2.00g，将二者混合均匀。

(2)将0.08g硫酸锶粉末添加到步骤1得到的掺杂核桃壳的污泥原料中，混合均匀。

(3)将步骤2得到的原料混合物加入到氯化锌溶液中搅拌均匀在常温下浸渍24h，于80℃下烘干24h，浸渍所用氯化锌溶液浓度为4.0mol/L，浸渍质量比为1:2.5。

(4)将步骤3得到的中间产物放入箱式电阻炉中，以加热速率10℃/min升温至500℃，恒温45min。

(5)将步骤4制得活性碳化物冷却至室温后用浓度为3mol/L盐酸洗涤1次，再用70℃的去离子水洗涤至pH为8.0，将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

污泥活性炭碘值为540.10mg/g。

对纯泥活性炭和添加硫酸锶制备的掺杂核桃壳污泥活性炭的碘吸附值，比表面积和孔隙结构等理化数据分析见下表：

Claims (3)

1.一种掺杂核桃壳的污泥活性炭的制备方法，其特征在于：制备该污泥活性炭的步骤是，首先将含水率在80～85％的城市污水处理厂剩余污泥送入烘箱中烘干，至污泥含水率为8～10％，得到干污泥；其次将上步干污泥和原料核桃壳分别用粉碎机粉碎，过筛制得粒径为0.3～0.8mm的污泥颗粒或核桃壳颗粒，按照污泥颗粒占质量百分比为70～90％，核桃壳颗粒占质量百分比为10～30％的比例将二者混合均匀，制得颗粒混合物；将硫酸锶粉末按上述颗粒混合物总质量的0.2～0.8％的量加入到颗粒混合物中，混合均匀制得原料混合物；再将上步制得原料混合物加入到氯化锌溶液中，混合均匀后在常温下浸渍24h，再送入烘箱中在温度为80℃下烘干24h，制得中间产物；然后将上步中间产物放入箱式电阻炉中，在温度为400～500℃下炭化活化45～60min，加热速率控制在5～15℃/min，制得活性碳化物；最后将活性碳化物先用盐酸洗涤1～2次，然后用温度为70～80℃的去离子水洗涤至pH为6～8，再将产品烘干、研磨后得到污泥活性炭。

2.根据权利要求1所述的污泥活性炭的制备方法，其特征是：所述原料混合物加入到氯化锌溶液中浸渍，所用氯化锌溶液的浓度为2.0～4.0mol/L，浸渍时原料混合物与氯化锌溶液的浸渍质量比为1:2.5。

3.根据权利要求1所述的污泥活性炭的制备方法，其特征是：所述活性碳化物用盐酸洗涤，所用盐酸浓度为3mol/L。