CN105688805A - 碱土金属法催化城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱土金属法催化处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，该方法以市政污水处理厂内污泥为碳源前躯体，碱土金属化合物作为催化剂。该种方法主要涉及下列几个过程：(1)污泥与碱土金属化合物的混合；(2)污泥混合液的热固干化；(3)干化污泥的碳化。本发明可根据碱土金属化合物投加量、污泥浓度、碳化温度，进行介孔碳材料结构的调控，合成出的污泥基介孔碳材料吸附性能优于传统活性炭材料，能够用于水体中污染物的去除，特别适合水处理，也可以用于吸附CO2，改良土壤和载体材料。

Description

碱土金属法催化城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料
技术领域
本发明涉及一种污泥的处理技术，具体地涉及一种将污水处理厂的污泥催化制备成污泥基介孔碳材料的方法。
背景技术
城市污水处理厂的污泥中含有大量寄生虫(卵)、病原菌、铬、铜、锌、汞等重金属、盐类以及多氯联苯、二噁英、放射性核素等难降解的有毒有害物。这些物质对环境和人类健康可能造成较大危害。另外污泥中还含有其他有毒有机化合物。其毒性主要来自于游离氰基，如含氰的电镀废水。城市污水处理厂污泥中的有机物污染主要有氰化物、氟化物、挥发酚以及多环芳烃、苯等。如氰化物是含有-CN基的一类化合物总称，为有毒化合物。这些有机化合物会通过食物链进入人体并在体内富集，具有持久危害性，会对人体的免疫系统造成损害。传统的处理方法有：卫生填埋，污泥堆肥及农用，污泥焚烧，海洋倾倒。然而这些处理方式往往存在着大量占地、污染空气及地下水的弊端，并不能够达到合理安全处置的效果，随着环保标准的逐步提高和人们环保意识的增强，这些传统的处置方式已渐渐受到环保法规和资源的限制。通过焙烧将污泥制备成吸附碳材料，用于环境修复，成为污泥近来年资源化的热点问题，受到研究者和环保领域的关注。
污泥中含有较多的碳，经炭化活化后可制成活性炭吸附剂，可作有机废水处理剂，同时污泥中的重金属得到一定程度的固化。利用污泥制备活性炭有着巨大的潜力，极大的优越性，泥质活性炭代替商品活性炭可以节省木材，煤炭等原料，同时降低了活性炭的生产成本。而且可解决日益突出的污水处理厂污泥的污染问题，同时泥质活性炭用于水处理，以废治废，符合国内外固体废物的资源化、无害化、减量化处置原则。所生产的碳吸附材料具有高度发达的孔隙结构和极大的比表面积，经过不同工艺调节孔径后能适合处理分子直径不一的污染物。据报道，在碳材料的各种孔结构(微孔、介孔、大孔)当中，介孔在液相吸附方面发挥了重要作用，尤其对类似于染料这类大分子污染物的去除，更为突出，以介孔为主的多孔碳材料往往比传统的微孔吸附材料表现出更强大的吸附性能。
自1971年第一条关于污泥制备碳吸附材料的专利报道以来，大批的研究者展开了相关研究，主要包含以下两种合成途径：直接碳化法和活化碳化法，前者经过高温碳化直接得到碳吸附材料，但往往得到的材料比表面积较小，多以微孔为主；后者在催化剂的活化下，比表面积、孔容得到扩大，内部出现了部分介孔，但往往仍已微孔为主，要得到介孔为主的碳材料需要投加大量的活化剂，常用的活化剂包括ZnCl2、KOH、H3PO4等，其中ZnCl2是研究者们广为使用的活化剂，在使用过程中往往需要稀盐酸进行活化剂的回收，增加了工艺流程和成本。
发明内容
有鉴于此，为弥补传统活性炭材料吸附能力的不足，发挥介孔在液相吸附方面的重要作用，减少化学活化剂的使用，本发明采用碱土金属催化法，利用市政污水处理厂污泥为碳源前躯体，廉价的白云石石灰(白云石高温煅烧后的产物，主要含有氧化钙、氧化镁)作为催化剂来合成介孔碳材料，无疑是传统碳吸附材料最有效的替代品。本发明的目的是提供一种清洁环保，安全绿色的处置方式，将城市污水处理厂污泥进行减量化、安全化和资源化处理，制备出具有丰富的介孔，吸附能力强，吸附速率快的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法及相应的污泥基介孔碳材料。
本发明提供了一种利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在1-10重量份的水处理厂的污泥(按照含水率20％计)中加入0.19-0.96重量份(按碱土金属元素含量计)的碱土金属化合物的水溶液，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
在本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法中，碱土金属化合物可以是白云石石灰、氧化镁、氧化钙、氯化镁、氯化钙、硫酸镁、硫酸钙、硝酸镁、硝酸钙、碳酸钙、氟化钙、氢氧化钙、氢氧化镁或者它们的混合物。本发明利用碱土金属化合物作为催化剂，碱土金属化合物中的钙、镁可以催化碳相，导致其气化，气体从材料内部逸出时，形成了更多的孔隙结构，以达到材料扩孔增容的目的。
在本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法中，污泥可以为水处理厂的剩余污泥、消化污泥或者它们的混合污泥。
在本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法中，所述的步骤(2)中的干化处理为60-180℃下加热或者6000r/min离心脱水。
在本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法中，所述步骤(3)中的碳化工艺为在5-15℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h。
本发明还涉及一种按照前述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法得到的污泥基介孔碳材料。
本发明的污泥基介孔碳材料，具有丰富的介孔结构，吸附速率快，吸附量大的特点，适用于处理废水，也可用于吸附CO2，改良土壤和载体材料。
本发明首次采用碱土金属催化法合成污泥基介孔碳材料，工艺简单，具有工业应用化前景。本发明涉及到碳材料的催化，以往研究经常使用活化效果较好的ZnCl2作为活化剂，但存在着活化剂回收的问题，本发明使用碱土金属化合物作为催化剂，不需要进行回收，且使用量较小。
本发明合成出的污泥基介孔碳材料孔径分布比传统的污泥基碳吸附材料更窄，这样更有利于吸附过程中孔隙间的传质效应，提高吸附速率。本发明合成出的介孔碳材料具有良好的吸附性能，吸附能力优于市面的活性炭产品，可用于污水处置及水中毒害物的去除，由于其出色的孔道分布及强大的孔容，也可以适用于吸附CO2、改良土壤和载体材料。
附图说明
图1是本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法的一种实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法的具体实施方式作进一步的详细说明。凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的替代方案，均处于本发明的保护范围之中。
实施例1：
本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在5重量份的水处理厂的干污泥(按照含水率20％计)中加入0.3重量份的白云石石灰(白云石石灰中约含57.5％的氧化钙(钙质量分数为71.4％)，39.4％的氧化镁(镁质量分数为60％)，其有效成分等价于0.19重量份的碱土金属元素，计算公式为：0.3*57.5％*71.4％+0.3*39.4％*60％≈0.19，其他案例中碱土金属元素含量计算方法类同)，加入适量水，在机械搅拌的条件下，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，60℃处理12h以上，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，在15℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
实施例2：
本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在6重量份的水处理厂的干污泥(按照含水率20％计)中加入0.7重量份的氧化钙(其有效成分等价于0.5重量份的碱土金属元素)，加入适量的水，在机械搅拌的条件下，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，60℃处理12h以上，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，在10℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
实施例3：
本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在6重量份的水处理厂的干污泥(按照含水率20％计)中加入8.46重量份的氯化镁(其有效成分等价于0.64重量份的碱土金属元素)，加入适量的水，在机械搅拌的条件下，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，60℃处理12h以上，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，在10℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
实施例4：
本发明的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在6重量份的水处理厂的干污泥(按照含水率20％计)中加入3.54重量份的硝酸钙和1.8重量份的硫酸镁(其有效成分等价于0.96重量份的碱土金属元素)，加入适量的水，在机械搅拌的条件下，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，60℃处理12h以上，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，在10℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
在上述各个实施例中，步骤(1)中的污泥可以为水处理厂的剩余污泥、消化污泥或者它们的混合污泥。
参见图1，将白云石石灰和水处理厂污泥依次按照配比加入到搅拌装置1中，进行搅拌后，倒入沉淀器2中，在沉淀器2中进行泥水分离，将分离后得到的固体置于烘干装置3中，进行干燥，干燥后得到的黑色固体放入碳化炉4，碳化炉4的尾气与吸附塔5连接，碳化过程中排出的气体导入吸附塔5，进行安全排放。碳化炉4碳化后得到的黑色固体即是污泥基介孔碳材料。
表1本发明与传统污泥基吸附材料的不同点

Claims (6)

1.一种利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照重量份比例在1-10重量份的水处理厂的干污泥(按照含水率20％计)中加入含有0.19-0.96重量份(按碱土金属元素含量计)的碱土金属化合物水溶液，搅拌成均匀状态，形成污泥混合液；
(2)将步骤(1)得到的污泥混合液放入烘干装置内进行干化处理，干化处理后得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉，在惰性气体的保护下进行焙烧，得到黑色固体，研磨分筛后形成粉末状，得到污泥基介孔碳材料。
2.按照权利要求1所述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的碱土金属化合物为白云石石灰、氧化镁、氧化钙、氯化镁、氯化钙、硫酸镁、硫酸钙、硝酸镁、硝酸钙、碳酸钙、氟化钙、氢氧化钙、氢氧化镁或者它们的混合物。
3.按照权利要求1所述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的污泥为水处理厂的剩余污泥、消化污泥或者它们的混合污泥。
4.按照权利要求1所述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的干化处理为60-180℃下加热或者6000r/min离心脱水。
5.按照权利要求1所述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法，其特征在于；所述的步骤(3)中的碳化工艺为在5-15℃/min的升温速率下升温至指定温度，碳化温度控制在750℃-900℃，碳化时间控制在1h-5h。
6.按照权利要求1至4中所述的利用碱土金属催化法处理城市污水处理厂污泥合成介孔碳材料的方法得到的污泥基介孔碳材料。
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