CN105126749A - 基于生活污泥的生物炭制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
基于生活污泥的生物炭制备方法及其应用，属于环境修复技术领域，将生活污泥风干后研磨，取得粒径为60目的原料，再将原料密封于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，经过300℃～500℃的焙烧后，降至室温后取出坩埚内污泥生物炭。采用本发明以上方法可获得难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质，经试验证实该物质可作为环境修复材料用于吸附环境中重金属污染物，可高效去除水体和土壤中的重金属（如Pb、Cd）污染物。
Description
技术领域
本发明属于环境修复技术领域，具体涉及一种去除水体、土壤环境中重金属污染物同时对污泥进行有效回收利用的环境修复材料的制备和使用方法。
背景技术
随着我国城镇污水处理厂的建设运行，我国城镇污水处理厂产生的剩余污泥也愈来愈多，而对于污泥的处理利用却没有太好的方法。许多污水处理厂将污泥进行焚烧处理，不仅会产生二噁英等有害物质，也是对污泥这一资源的浪费。如用来制备生物炭，不仅能有效回收利用这些有机废弃物，而且能产生一定的经济效益。
生物炭作为一种由有机质热解而成的物质，富含微孔，如将其应用于水体、土壤中重金属的治理，不但可以吸附钝化水体、土壤中的重金属，还可以有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。
如今，污水中所含的重金属量随着工业化的发展与日俱增。而当污水中的重金属渗透进大地，以及工矿业固体废弃物污染等，土壤中的重金属也已不可忽视。因此，如何将水体、土壤环境中的重金属污染物去除，已成为亟待解决的科学问题。
目前，对污水中重金属的处理方法通常有两种，一是使污水中呈溶解状态的重金属转变成不溶的重金属化合物或元素，经沉淀和上浮从废水中去除，可应用中和沉淀法、硫化物沉淀法、上浮分离法、离子浮选法、电解沉淀或电解上浮法、隔膜电解法等；二是将污水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行浓缩和分离，可应用反渗透法、电渗析法、蒸发法、离子交换法等。
而传统的土壤重金属污染治理方法有客土、换土和深耕翻土等工程措施，电动修复、电热修复、土壤淋洗等物理化学修复，以及利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性的生物修复等。但这几种方法都具有较大的弊端，工程措施是比较经典的土壤重金属污染治理措施，它具有彻底、稳定的优点，但实施工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理；物理化学修复属于原位修复，不搅动土层，并可以缩短修复时间，但是耗电量大；生物修复的难点在于寻找对某种或某族、某系金属具有吸附作用的耐重金属植物和微生物，调研成本较高，短期内无法得出准确结论。
发明内容
本发明的目的是提供一种变废为宝的生物炭制备方法，以其作为用于吸附环境中重金属污染物的环境修复材料。
本发明技术方案是：将生活污泥风干后研磨，取得粒径为60目的原料，再将原料密封于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，经过300℃～500℃的焙烧后，降至室温后取出坩埚内污泥生物炭。
为了方便研磨，需要降低生活污泥中的含水率，采用自然风干的方法，主要是处于节约能源的目的。
过60目筛主要是使原料装入坩埚中时能够更密实并且使得制备的生物炭的能够具有更大的比表面积。
如原料粒径过大，其比表面积较小，生物炭的吸附能力较低；而如原料粒径过小，制作成本较高，使用、回收也不太方便。故选择60目较为适合。
采用本发明以上方法可获得难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质，经试验证实该物质可作为环境修复材料用于吸附环境中重金属污染物，可高效去除水体和土壤中的重金属（如Pb、Cd）污染物。本发明充分利于污泥为原料制备成生物炭以达到高效吸附环境中重金属污染物的目的，既是对污泥的利用，又可用于水、土环境的修复改良。与已有的技术相比，本发明优点在于材料方便易得，成本低廉，制备流程简单，其处理废水中重金属污染物的效果显著。
本发明还提出以上方法制成的污泥生物炭在对废水中重金属的吸附中的应用。
即，将生物炭投加于废水中，在混合体系的pH为4.5～7.5、温度为25±1℃的条件下，对废水中重金属进行吸附处理20～24小时，分离出沉淀物，取得无重金属的水体。
通过以上处理方式，分别取得上清即无重金属的水体，而富含重金属的生物炭可以有两种处理方式：1.直接作为固废进行处理；2.进行解吸附处理，获得再生的生物炭可继续利用，高浓度重金属废水再进行处理。
该处理方法的特点和优势：将富含有机质的污泥利用起来，变废为宝，节约资源，且操作简单。
进一地，本发明在吸附处理进，以NaNO3作为背景电解质。
另外，用于投入于吸附混合体系中的所述背景电解质中NaNO3与废水的混合比为0.01mol：1L。
在吸附时此背景电解质并非必须使用。
在操作过程中之所以使用背景电解质，在研究吸附过程时0.01mol/LNaNO3经常被作为背景电解质使用，其作用在于：1.不妨碍吸附；2.可抑制水解等其他反应发生；3.可维持体系离子强度的稳定，避免因离子强度变化对测定的浓度产生影响，可以准确的反映吸附的真实情况。在操作过程中之所以使用背景电解质，也是基于以上考虑，同时为了与其它研究统一条件，方便进行效果的比较。
另外，所述生物炭与重金属污染废水的混合比为1g:400mL，在综合考虑了重金属污染废水的浓度和实验室测试条件所得，在该条件下，污泥生物炭对Pb2+、Cd2+的最大吸附量分别约为14mg/g、1mg/g。
具体实施方式
一、污泥生物炭的制备：
将风干后的污泥研磨，取过60目筛的原料装入25mL的小坩埚中，压实，盖上小坩埚盖子，将小坩埚放入50mL的大坩埚中，盖上大坩埚盖子。将大坩埚放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率升到300℃后恒温灼烧6h，冷却至室温后取出，即得300℃的污泥生物炭（W300）。
根据以上步骤分别制得400℃和500℃的污泥生物炭（W400、W500）。
实验制得的生物炭产率分别为：污泥生物炭（W300）：72%；污泥生物炭（W400）：66%、污泥生物炭（W500）：63%。
二、污泥生物炭在对含Pb2+和Cd2+的重金属污染废水进行吸附的试验：
1、分别称取0.1g污泥生物炭，分置于50ml塑料离心管中，再分别加入不同浓度的（5，10，20，30，40，60，80mg/L）Pb2+溶液40ml混合均匀。所有Pb2+溶液均含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质，同时用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl将溶液pH调至4.5。置于25℃水浴中振荡24h，速率110r/min，之后用滤膜过滤出沉淀物，将滤过液采用原子吸收分光光度法测定滤液中Pb2+的浓度，并根据吸附试验前后Pb2+浓度的差值计算吸附量。所有试验均平行3次。
上文以及以下两处中“所有Pb2+溶液均以含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质”是指：用于投入于吸附混合体系中的所述背景电解质中NaNO3与废水的混合比为0.01mol：1L。
实验测得污泥生物炭（W300）、污泥生物炭（W400）、污泥生物炭（W500）对Pb2+的最大吸附量分别为4.8mg/g、13.2mg/g、14.4mg/g。
同上述实验，改用不同浓度（1，2，5，10，15，20，30mg/L）的Cd2+进行吸附试验，实验测得污泥生物炭（W300）、污泥生物炭（W400）、污泥生物炭（W500）对Cd2+的最大吸附量分别为0.80mg/g、0.84mg/g、0.88mg/g。
2、分别称取0.1g污泥生物炭，分置于50ml塑料离心管中，加入40mg/L的不同pH的Pb2+溶液40ml混合均匀。所有Pb2+溶液均含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质，用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl将溶液pH分别调至2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5。置于25℃水浴中振荡24h，速率110r/min，之后用滤膜过滤出沉淀物，将滤过液采用原子吸收分光光度法测定滤液中Pb2+的浓度，并根据吸附试验前后Pb2+浓度的差值计算吸附量。所有试验均平行3次。
实验测得当pH在3.0以下时，吸附量很小，随着pH越高，污泥生物炭（W300）、污泥生物炭（W400）、污泥生物炭（W500）对Pb2+的吸附量也越大。
同上述实验，改用不同pH（2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5）的溶液对Cd2+进行吸附试验，实验结果表明当pH在3.5以下时，吸附量很小，当pH达到4.5时，吸附量显著升高，当pH大于4.5时，吸附量缓慢上升；当pH超过7.5时，吸附量又显著下降。
3、称取0.1g污泥生物炭，置于50ml塑料离心管中，加入浓度40mg/L的Pb2+溶液40ml混合均匀。所有Pb2+溶液均含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质，同时用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl将溶液pH调至4.5。分别置于25℃水浴中振荡1、2、4、8、12、20、32h，速率110r/min，之后用滤膜过滤出沉淀物，将滤过液采用原子吸收分光光度法测定滤液中Pb2+的浓度，并根据吸附试验前后Pb2+浓度的差值计算吸附量。所有试验均平行3次。
实验结果表明污泥生物炭对Pb2+的吸附在20h后达到表观平衡状态。
同上述实验，对Cd2+进行动力学吸附试验，实验结果表明生物炭对Cd2+的吸附在20h后达到表观平衡状态。
4、温度条件对吸附的影响试验：
称取0.1g污泥生物炭，置于50ml塑料离心管中，加入浓度40mg/L的Pb2+溶液（10mg/L的Cd2+溶液）40ml混合均匀。所有Pb2+溶液均含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质，同时用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl将溶液pH调至4.5。分别置于15、25、35℃水浴中振荡24h，速率110r/min，之后用滤膜过滤出沉淀物，将滤过液采用原子吸收分光光度法测定滤液中Pb2+的浓度，并根据吸附试验前后Pb2+浓度的差值计算吸附量。所有试验均平行3次。结果表明，在25℃时效果较佳。
5、生物炭与重金属污染废水的混合比为1g:400mL是较为合适的：
分别称取0.01、0.1、1g污泥生物炭，置于50ml塑料离心管中，加入浓度40mg/L的Pb2+溶液（10mg/L的Cd2+溶液）40ml混合均匀。所有Pb2+溶液均含0.01mol/L的NaNO3作为背景电解质，同时用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的HCl将溶液pH调至4.5。分别置于25℃水浴中振荡24h，速率110r/min，之后用滤膜过滤出沉淀物，将滤过液采用原子吸收分光光度法测定滤液中Pb2+的浓度，并根据吸附试验前后Pb2+浓度的差值计算吸附量。所有试验均平行3次。结果表明，0.1g：40ml的处理效果较好，即1g:400mL较为合适。
Claims (6)
1.一种基于生活污泥的生物炭制备方法，将生活污泥风干后研磨，取得粒径为60目的原料，再将原料密封于坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，经过300℃～500℃的焙烧后，降至室温后取出坩埚内污泥生物炭。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于所述焙烧的时间为6小时。
3.如权利要求1或2方法制备取得的生物炭在对废水中重金属的吸附中的应用，将生物炭投加于废水中，在混合体系的pH为4.5～7.5、温度为25±1℃的条件下，对废水中重金属进行吸附处理20～24小时，分离出沉淀物，取得无重金属的水体。
4.根据权利要求3所述应用，其特征在于在吸附处理进，以NaNO3作为背景电解质。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于用于投入于吸附混合体系中的所述背景电解质中NaNO3与废水的混合比为0.01mol：1L。
6.根据权利要求3或4或5所述应用，其特征在于所述生物炭与重金属污染废水的混合比为1g:400mL。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151209 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |