CN109734474B - 一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种炭‑陶复合多孔陶粒制备方法，属于机械技术领域。它解决了现有技术中陶粒内部不贯通，水流难以进入陶粒内部的的问题。本炭‑陶复合多孔陶粒制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤一、制备纸浆；步骤二、配料；步骤三、混匀成团；步骤四、压制薄片；步骤五、撒分层隔离粉；步骤六、卷片；步骤七、切割制粒；步骤八、干燥；步骤九、高温烧制；步骤十、冷却；步骤十一、吸附；步骤十二、水热炭化；步骤十三、炭‑陶复合多孔陶粒。本发明具有贯通的开孔结构、良好的吸附性能和足够硬度的优点。

Description

一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法

技术领域

本发明属于陶粒制备技术领域，涉及一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法。

背景技术

硝化是NH₃生成亚硝酸根NO^2-，进而生成硝酸根NO^3-。硝酸根在缺氧条件下，生产亚硝酸根，再进一步生产N₂，称为反硝化。短程硝化是指NH₃生成亚硝酸根，不再生产硝酸根；而由亚硝酸根直接生成N₂，称为短程反硝化。反应式为：NH₄ ⁺+1.5O₂→NO^2-+2H⁺+H₂O，NO₂ ^-+3[H]+H⁺→0.5N₂+2H₂O。短程硝化反硝化可以从水中快速去除氨氮，有节省曝气量和节省反硝化碳源的优势，在污水治理技术中受到极大的关注。

短程硝化反硝化的主要影响因素有温度、pH和游离氨、DO含量等，通过调节以上因素实现提高氨氧化菌(AOB)活性，降低，亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的目的，从而实现短程硝化反硝化。从生物学角度，短程硝化反硝化的核心和控制难点主要是在反应器中要同时构建若干有利于硝化细菌生长的好氧环境和若干有利于反消化腺细菌生长的厌氧环境。已有的研究一般是利用污泥颗粒或多孔介质作为生物载体，经过长期驯化，硝化细菌固着在颗粒外围，反硝化细菌固着在颗粒内部，通过颗粒表层的硝化细菌消耗溶液中的氧从而构建一个厌氧的微环境，外围硝化细菌生成的亚硝酸根经由微孔通过渗透扩散的方式被传递给反硝化细菌完成反硝化。因此，多孔介质一直是短程硝化反硝化反应器构建的关键。目前常用的多孔介质棉球、海绵、合成纤维球等，由于结构柔软导致孔隙较大，同时又无法再生，造成效果不佳、成本偏高。也有利用高分子材料制备的多孔生化球，但成本过高，再生较为困难。

陶粒是由粘土高温烧制而成，其中添加某些特殊成分在高温下发泡，形成气孔，冷却后就形成了一种轻质、坚硬、具有明显蜂窝状结构的陶粒。其主要特点是容重轻、强度高、导热系数低、耐火度高、化学稳定性好等，因而具有更为优良的物理力学性能。

由于陶粒内部多孔，比表面积大，化学和热稳定好，使之具有较好的吸附性能和挂膜性能，易于再生，便于重复利用，是一种价廉高效的吸附材料，在水处理中有良好的应用前景。研究表明，陶粒起主要作用的是物理吸附，物理吸附效果取决于陶粒的多孔性及比表面积，比表面积越大，吸附效果越好。

普通多孔陶粒尽管挂膜性能良好，但空隙多存在于陶粒内部，由于不是贯通的，水流难以进入陶粒内部，类似“气囊”的结构也使其常常漂浮在水体表面，导致内部小孔优良的吸附性能和挂膜性能无法完全发挥，限制了陶粒在短程硝化反硝化中的应用。同时，为了使生产出来的陶粒具有多孔结构，一般需要添加某些特殊发泡成分，这些成分在制成的陶粒中留存，且不易短时间去除，在水处理中容易形成新的污染。因此，研究和开发一种具有贯通的开孔结构、比表面积大、不会产生二次污染的绿色多孔陶粒意义重大。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，本发明所要解决的技术问题是制备一种具有贯通的开孔结构、良好的吸附性能和足够硬度的陶粒。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备纸浆：将废纸捣碎成纸浆；

步骤二、配料：按照重量份数计，称取1～5份纸浆、95～99份粘土、20-30份水；

步骤三、混匀成团：将步骤2的原料充分混匀成团状；

步骤四、压制薄片：将步骤三中的团状压成0.5～1.0mm厚度的薄片；

步骤五、撒分层隔离粉：在薄片上均匀撒上一层米糠粉，米糠粉占薄片总重0.1～0.5％；

步骤六、卷片：随后卷制成直径10～30mm的圆柱状结构；

步骤七、切割制粒：用刀片切割成高度为10～30mm短柱状颗粒；

步骤八、干燥：自然风干或低温烘干；

步骤九、高温烧制：将干燥的颗粒在700～1100℃温度下烧制成陶，在这个过程中，纸浆中的纸纤维被烧蚀掉，形成贯通的微孔，隔离用的米糠粉被烧蚀掉，形成螺旋状片层结构，片层间具有间隙；

步骤十、冷却：冷却后得到兼具微孔和片层结构的多孔陶粒；

步骤十一、吸附：将所得陶粒放入含5-10％可溶性生物质的水溶液中，让生物质材料充分进入陶粒内部；

步骤十二、水热炭化：将步骤十一中加入陶粒的可溶性生物质的水溶液在反应釜内进行水热炭化处理，温度在240-260℃，时间在1.5-3.0小时；

步骤十三、炭-陶复合多孔陶粒：经过步骤十二处理后在微孔和间隙表面均匀附着一层“炭膜”，得到炭-陶复合多孔陶粒。

所述可溶性生物质为蔗糖。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用烧蚀工艺生产炭-陶复合多孔陶粒，能耗少，原料成本低，有利于工业化生产。

2、本发明以粘土、废纸和废弃生物质为原料制取炭-陶复合多孔陶粒，原料易得，不仅有利于环境保护，而且降低了炭-陶复合多孔陶粒生产成本。

3、本发明采用烧结和水热制备炭-陶复合多孔陶粒，具有强大的比表面积的同时，在微孔和片层间的间隙表面覆盖了一层具有良好吸附能力的“炭膜”，一方面有利于硝化细菌的固着，一方面通过炭膜对溶于水中的养分不断的吸附-解吸附作用，为炭-陶复合多孔陶粒上固着的硝化细菌提供生长代谢所需养分，有利于硝化反硝化菌的快速增殖，迅速形成生化膜，同时碳颗粒对养分的富集也使硝化反硝化作用更加高效。

4、本发明通过纸浆中的纸纤维和隔离用的米糠粉烧蚀在陶粒内部形成开孔的多孔结构，不产生新的残留，有利于硝化细菌和反硝化细菌的固着，并在球的外部形成好氧环境，在球的内部形成厌氧环境；其透水的开孔结构，有利于将氨态氮转化生成的亚硝态氮转移至球的内部，在反硝化细菌的作用下发生厌氧的反硝化作用，并将生成的氮氧化物或氮气排除，实现短程硝化-反硝化反应。

5、本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒具有螺旋状的片层结构，片层内有纸纤维烧蚀后形成的相互贯通的微孔，在硝化反硝化过程中有利于细菌固着和形成大量局部厌氧的环境；片层间的间隙，在硝化反硝化过程中形成缓慢流动的水膜，在进一步增加表面积的同时，水中溶氧较高，有利于形成局部的好氧环境，并可以主动地将反应中生成的各种成分输送到球内的各个部分，再经片层内的微孔渗透扩散，满足反硝化细菌的营养需要，改变了普通生化球内部物质输送仅仅靠渗透压为唯一动力的低效率运输，增加了陶粒内部微孔的使用效率，使硝化反硝化作用效率大大提高。

6、本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒为圆柱形，相比于球形生化球更容易在水流过时形成紊流，增加水流透过陶粒的几率，提高各种反应物在生物膜表面停留时间，进而改进硝化反硝化作用效率。

7、本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒抗压强度大、吸水率高、吸附性能良好、且易于挂膜，作为短程硝化反硝化反应器，反应更容易控制，可以长时间保持高效率的稳定运行。

8、本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒易于反复再生使用，在使用一段时间以后，包括微孔和片层间的间隙会被菌泥堵塞，硝化反硝化效率下降；此时可取出陶粒在400℃条件下煅烧30～60min即可恢复其内部微孔及片层间的间隙，使陶粒得到再生。

附图说明

图1是本炭-陶复合多孔陶粒的外形图。

图2是本炭-陶复合多孔陶粒纵切面结构示意图。

图3是本炭-陶复合多孔陶粒纵切面局部放大结构示意图。

图中，1、炭-陶复合多孔陶粒；1a、炭-陶复合多孔陶粒的切面；1b、微孔；1c、片层间的间隙。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备纸浆：将废纸捣碎成纸浆；

步骤二、配料：按照重量份数计，称取3份纸浆、97份粘土、25份水；

步骤三、混匀成团：将步骤2的原料充分混匀成团状；

步骤四、压制薄片：将步骤三中的团状压成0.7mm厚度的薄片；

步骤五、撒分层隔离粉：在薄片上均匀撒上一层米糠粉，米糠粉占薄片总重0.3％；

步骤六、卷片：随后卷制成直径20mm的圆柱状结构；

步骤七、切割制粒：用刀片切割成高度为20mm短柱状颗粒；

步骤八、干燥：自然风干或低温烘干；

步骤九、高温烧制：将干燥的颗粒在900℃温度下烧制成陶，在这个过程中，纸浆中的纸纤维被烧蚀掉，形成贯通的微孔，隔离用的米糠粉被烧蚀掉，形成螺旋状片层结构，片层间具有间隙；

步骤十、冷却：冷却后得到兼具微孔和片层结构的多孔陶粒；

步骤十一、吸附：将所得陶粒放入含7％蔗糖的水溶液中，让生物质材料充分进入陶粒内部；

步骤十二、水热炭化：将步骤十一中加入陶粒的可溶性生物质的水溶液在反应釜内进行水热炭化处理，温度在250℃，时间在2.5小时；

步骤十三、炭-陶复合多孔陶粒：经过步骤十二处理后在微孔和间隙表面均匀附着一层“炭膜”，得到炭-陶复合多孔陶粒。

如图1所示，是本发明所制备出的炭-陶复合多孔陶粒的外形图。

如图2所示，是本发明所制备出的炭-陶复合多孔陶粒纵切面结构示意图。

如图3所示，炭-陶复合多孔陶粒纵切面局部放大结构示意图。

本发明采用烧蚀工艺生产炭-陶复合多孔陶粒，能耗少，原料成本低，有利于工业化生产；本发明以粘土、废纸和废弃生物质为原料制取炭-陶复合多孔陶粒，原料易得，不仅有利于环境保护，而且降低了炭-陶复合多孔陶粒生产成本；本发明采用烧结和水热制备炭-陶复合多孔陶粒，具有强大的比表面积的同时，在微孔和片层间的间隙表面覆盖了一层具有良好吸附能力的“炭膜”，一方面有利于硝化细菌的固着，一方面通过炭膜对溶于水中的养分不断的吸附-解吸附作用，为炭-陶复合多孔陶粒上固着的硝化细菌提供生长代谢所需养分，有利于硝化反硝化菌的快速增殖，迅速形成生化膜，同时碳颗粒对养分的富集也使硝化反硝化作用更加高效；本发明通过纸浆中的纸纤维和隔离用的米糠粉烧蚀在陶粒内部形成开孔的多孔结构，不产生新的残留，有利于硝化细菌和反硝化细菌的固着，并在球的外部形成好氧环境，在球的内部形成厌氧环境；其透水的开孔结构，有利于将氨态氮转化生成的亚硝态氮转移至球的内部，在反硝化细菌的作用下发生厌氧的反硝化作用，并将生成的氮氧化物或氮气排除，实现短程硝化-反硝化反应；本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒具有螺旋状的片层结构，片层内有纸纤维烧蚀后形成的相互贯通的微孔，在硝化反硝化过程中有利于细菌固着和形成大量局部厌氧的环境；片层间的间隙，在硝化反硝化过程中形成缓慢流动的水膜，在进一步增加表面积的同时，水中溶氧较高，有利于形成局部的好氧环境，并可以主动地将反应中生成的各种成分输送到球内的各个部分，再经片层内的微孔渗透扩散，满足反硝化细菌的营养需要，改变了普通生化球内部物质输送仅仅靠渗透压为唯一动力的低效率运输，增加了陶粒内部微孔的使用效率，使硝化反硝化作用效率大大提高；本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒为圆柱形，相比于球形生化球更容易在水流过时形成紊流，增加水流透过陶粒的几率，提高各种反应物在生物膜表面停留时间，进而改进硝化反硝化作用效率；本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒抗压强度大、吸水率高、吸附性能良好、且易于挂膜，作为短程硝化反硝化反应器，反应更容易控制，可以长时间保持高效率的稳定运行；本发明制取的炭-陶复合多孔陶粒易于反复再生使用，在使用一段时间以后，包括微孔和片层间的间隙会被菌泥堵塞，硝化反硝化效率下降；此时可取出陶粒在400℃条件下煅烧30～60min即可恢复其内部微孔及片层间的间隙，使陶粒得到再生。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”和“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (2)

1.一种炭-陶复合多孔陶粒制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备纸浆：将废纸捣碎成纸浆；

步骤二、配料：按照重量份数计，称取1～5份纸浆、95～99份粘土、20-30份水；

步骤三、混匀成团：将步骤2的原料充分混匀成团状；

步骤四、压制薄片：将步骤三中的团状压成0.5～1.0mm厚度的薄片；

步骤五、撒分层隔离粉：在薄片上均匀撒上一层米糠粉，米糠粉占薄片总重0.1～0.5％；

步骤六、卷片：随后卷制成直径10～30mm的圆柱状结构；

步骤七、切割制粒：用刀片切割成高度为10～30mm短柱状颗粒；

步骤八、干燥：自然风干或低温烘干；

步骤九、高温烧制：将干燥的颗粒在700～1100℃温度下烧制成陶，在这个过程中，纸浆中的纸纤维被烧蚀掉，形成贯通的微孔，隔离用的米糠粉被烧蚀掉，形成螺旋状片层结构，片层间具有间隙；

步骤十、冷却：冷却后得到兼具微孔和片层结构的多孔陶粒；

步骤十一、吸附：将所得陶粒放入含5-10％可溶性生物质的水溶液中，让生物质材料充分进入陶粒内部；

步骤十二、水热炭化：将步骤十一中加入陶粒的可溶性生物质的水溶液在反应釜内进行水热炭化处理，温度在240-260℃，时间在1.5-3.0小时；

步骤十三、炭-陶复合多孔陶粒：经过步骤十二处理后在微孔和间隙表面均匀附着一层“炭膜”，得到炭-陶复合多孔陶粒。

2.根据权利要求1所述的炭-陶复合多孔陶粒制备方法，其特征在于，所述可溶性生物质为蔗糖。

Images