CN111620532A - 一种粉煤灰改性材料及其制备方法及其在污泥热解过程中对重金属吸附的应用 - Google Patents

一种粉煤灰改性材料及其制备方法及其在污泥热解过程中对重金属吸附的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粉煤灰改性材料，还公开了上述粉煤灰改性材料的制备方法，最后公开了上述粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附方面的应用。本发明改性材料利用Na2CO3在高温下分解和碱性特点，破坏粉煤灰表面的烧结界面，同时挥发的CO2气体可以给吸附材料表面提供孔道和增大比表面积，暴露出更多的吸附活性位点，有利于储存反应产物以及挥发性重金属进一步向材料内部渗透，增加反应效率，从而提高吸附材料的利用率；另外，碱性条件有利于Cl元素的吸收，阻止其和挥发性或半挥发性重金属的结合，从而抑制重金属氯化物的挥发。

Description

一种粉煤灰改性材料及其制备方法及其在污泥热解过程中对 重金属吸附的应用
技术领域
本发明涉及一种粉煤灰改性材料，还涉及上述粉煤灰改性材料的制备方法，最后涉及上述粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附方面的应用，属于材料改性技术领域。
背景技术
人类活动的大量增加导致污水的量大幅增加，污泥的产生也急剧加快。污泥中含有大量的重金属元素，不及时处理会造成严重的二次污染。污泥的热解是常用的去除污泥中重金属的方法之一。但是热解过程中，挥发性和半挥发性重金属通常会形成氯化物，挥发到空气中污染空气，造成环境危害。因此亟待提高热解过程中对重金属的吸附固定能力。
在已有的相关报道中，通常是以高岭土、凹凸棒和石灰石等富含Si、Al元素的天然产物为原料，对其以适当改性，再加入到热解过程中，以对重金属进行吸附固化，也取得了不错的效果。但是这些材料吸附固化的过程多发生于吸附剂的表面，无法向吸附剂的内部渗透，造成吸附剂的利用率较低。因此提高吸附剂的利用率，是一个需要解决的问题。
粉煤灰中含有大量的氧化硅和氧化铝，是良好的两性物质，可以和重金属结合形成硅酸盐和铝酸盐，从而固定重金属。但是由于在高温下，粉煤灰表面会烧结，形成稳定的界面，不易与其它物质反应。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种粉煤灰改性材料，粉煤灰通过Na2CO3改性后，Na2CO3能够破坏粉煤灰表面的稳定结构，并让其释放出吸附位点，有利于吸附材料对重金属的吸附及反应，进而提高吸附材料的利用效率和吸附效率。
本发明还要解决的技术问题是提供上述粉煤灰改性材料的制备方法。
本发明最后要解决的技术问题是提供上述粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附的应用。
技术方案：本发明通过以下技术方案实现：
一种粉煤灰改性材料，所述改性材料由Na2CO3与粉煤灰混合而成，在将Na2CO3与粉煤灰混合过程中，通过加入硅烷偶联剂或表面活性剂使得到的改性材料具有确定的形状。
其中，通过硅烷偶联剂或表面活性剂得到的改性材料的形状为饼状、块状或粒状。
上述粉煤灰改性材料的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
(1)分别称取粉煤灰和Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)往混合物料中滴加硅烷偶联剂或表面活性剂，得到具有确定形状的初始产物；
(3)最后将步骤(2)所得的初始产物烘干，获得最终的粉煤灰改性材料。
其中，步骤(1)中，所述粉煤灰与Na2CO3的混合质量比为4～9∶1。
其中，步骤(2)中，所述硅烷偶联剂为KH550；所述表面活性剂为CTAB。
其中，步骤(2)中，所述硅烷偶联剂或表面活性剂与混合物料的加入体积质量比为1∶1～3(mL/g)。
其中，步骤(3)中，烘干温度为50～60℃，干燥时间为5～8h。
上述粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附的应用。
其中，污泥热解过程中，粉煤灰改性材料的使用温度为600～800℃。
其中，污泥热解过程中，所述粉煤灰改性材料的使用量为污泥重量的1～10wt.％。
有益效果：本发明改性材料利用Na2CO3在高温下分解和碱性特点，破坏粉煤灰表面的烧结界面。粉煤灰颗粒表面会有致密的氧化层，如SiO2、Al2O3等，它们在高温下可以和Na2CO3发生反应(Al2O3+Na2CO3＝Na2AlO3+CO2、SiO2+Na2CO3＝Na2SiO3+CO2)，通过破坏这层氧化层，将粉煤灰内部的活性物质如SiO2、Al2O3更多的暴露出来，同时挥发的CO2气体可以在吸附材料表面形成孔道，从而增大吸附材料的比表面积，使吸附材料暴露出更多的吸附活性位点，孔道有利于储存反应产物以及使挥发性重金属进一步向材料内部渗透，增加吸附材料的吸附效率，从而提高吸附材料的利用率；另外，碱性条件有利于Cl元素的吸收，阻止其和挥发性或半挥发性重金属的结合，从而抑制Cl化物(即Cl元素与重金属的结合物)的挥发；最后，本发明改性材料利用廉价易得的粉煤灰来吸附热解过程中的重金属，不仅成本低，而且可实现粉煤灰的二次利用，经济、高效。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明技术方案做进一步说明。
本发明所使用的粉煤灰来源于火力发电厂，其中主要成分为SiO2 40～60wt.％、Al2O3 15～30wt.％。实施例1～9中，20g污泥样品中，重金属的浓度为一致的。
实施例1
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)(硅烷偶联剂的作用是粘合剂，使粉煤灰和Na2CO3粘合在一起，形成固定形状)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，PbCl2的吸附效率达到65.5％(如图1所示)，表明本发明吸附材料具有良好的重金属吸附能力。
实施例2
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.6g粉煤灰和0.4g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料(材料放在管式炉的排气口处)放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为50.1％(如图1所示)，表明粉煤灰的含量降低，Na2CO3量增加后，吸附效率明显减低，因为吸附主体的减少，导致效率的降低。
实施例3
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加0.8mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为53.3％(如图1所示)，表明KH550的减少会降低吸附效率。因为KH550的减少，导致材料的形状不够标准，导致和管式炉的接触不够充分，吸附效率下降。
实施例4
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于50℃的烘箱中干燥8h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为63.4％(如图1所示)，稍低于实施例1中结果，表明在成形后烘干的温度和时间影响不大。
实施例5
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL表面活性剂(CTAB)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为57.5％(如图1所示)，低于实施例1中的结果，表明KH550对产物的成形以及最终吸附材料在吸附过程中也起到一定的正向作用。
实施例6
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成粒状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g粒状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为68.4％(如图1所示)，表明粒状材料在吸附过程中具有更好的效率。因为粒状材料比表面积明显高于饼状材料，具有更多的接触面积。
实施例7
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在600℃下吸附40分钟后，吸附效率为49.4％(如图1所示)，表明高温下吸附效率更高，是因为在800℃下，PbCl2(沸点951℃)蒸气活动加剧，与吸附材料产生更多的有效碰撞。
实施例8
本发明改性粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取1.8g粉煤灰和0.2g Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为40g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰改性材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为40.2％(如图1所示)，表明在增加重金属总量后，吸附效率反而降低，可能是因为吸附速度达到极限，吸附量达到饱和后，部分重金属PbCl2蒸气流失，导致总体的吸附效率下降。
实施例9
一种粉煤灰材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)分别称取2g粉煤灰，将其研磨均匀；
(2)向步骤(1)的混合物料中滴加1mL硅烷偶联剂(KH550)，然后将混合物置于模具中，制成圆饼状；
(3)将步骤(2)的样品置于60℃的烘箱中干燥6h后取出，得到粉煤灰改性材料。
管式炉内污泥样品质量为20g，将制得的1.5g圆饼状粉煤灰材料放入管式炉中进行PbCl2蒸气的吸附实验。在800℃下吸附40分钟后，吸附效率为25.4％(如图1所示)，说明改性后比改性前吸附性能有很大的提升。
各实施例吸附效率的计算说明如下：
1、污泥样品中重金属总含量的测定
利用BCR连续提取法测出污泥中重金属的浓度W；实施例1～9中20g污泥样品中重金属的浓度W＝5.61×10-5g/g；
2、对吸附过后吸附材料中重金属含量的测定
吸附材料经过消解后，利用ICP-MS测出吸附后材料内的重金属浓度w；
3、吸附效率n的计算
单次样品污泥质量M、单次吸附完成后吸附材料质量m
Figure BDA0002470498260000061
各实施例吸附后材料的吸附材料的质量m和吸附材料内的重金属浓度w如表1所示。
表1为各实施例污泥质量M、吸附后吸附材料的质量m、吸附材料内重金属浓度w以及吸附效率
实施例 质量M(g) 质量m(g) 浓度w×10<sup>-4</sup>(g/g) 吸附效率％
1 20.0002 1.2863 5.713364 65.5
2 20.0001 1.2645 4.445409 50.1
3 20.0002 1.2542 5.206538 58.2
4 20.0001 1.2834 5.542683 63.4
5 20.0003 1.2454 5.180263 57.5
6 20.0001 1.2926 5.937243 68.4
7 20.0003 1.2731 4.353688 49.4
8 40.0002 1.2575 7.173662 40.2
9 20.0001 1.2646 2.253582 25.4
由表1可知，加入Na2CO3改性的粉煤灰(实施例1～8)对重金属的吸附效率明显高于未加入Na2CO3改性的粉煤灰(实施例9)对重金属的吸附效率，大约为其2倍。从而表明粉煤灰中加入Na2CO3后，大大提高了粉煤灰对重金属的吸附效率。同时，可以看到污泥增加1倍之后(实施例8)，吸附效率有所下降，但仍比未加入Na2CO3改性的粉煤灰高，可能是由于吸附材料的吸附能力趋于饱和。其它条件改变，例如温度、形貌、Na2CO3加入量等，对吸附效率亦有部分影响。
本发明改性材料通过Na2CO3对粉煤灰(吸附材料)表面改性，破坏粉煤灰表面的稳定结构，并释放出吸附材料表面的吸附位点，有利于粉煤灰对重金属的吸附及反应。同时，Na2CO3在热解过程中产生CO2气体，使吸附材料表面形成孔道，为重金属气体往吸附材料内部的渗透开辟了道路，同时还可以储存反应所产生的硅铝酸盐。

Claims (10)

1.一种粉煤灰改性材料，其特征在于：所述改性材料由Na2CO3与粉煤灰混合而成，在将Na2CO3与粉煤灰混合过程中，通过加入硅烷偶联剂或表面活性剂使得到的改性材料具有确定的形状。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰改性材料，其特征在于：通过硅烷偶联剂或表面活性剂得到的改性材料的形状为饼状、块状或粒状。
3.权利要求2所述的粉煤灰改性材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)分别称取粉煤灰和Na2CO3，混合后将其研磨均匀；
(2)往混合物料中滴加硅烷偶联剂或表面活性剂，得到具有确定形状的初始产物；
(3)最后将步骤(2)所得的初始产物烘干，获得最终的粉煤灰改性材料。
4.根据权利要求3所述的粉煤灰改性材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述粉煤灰与Na2CO3的混合质量比为4～9∶1。
5.根据权利要求3所述的粉煤灰改性材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述硅烷偶联剂为KH550；所述表面活性剂为CTAB。
6.根据权利要求3所述的粉煤灰改性材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述硅烷偶联剂或表面活性剂与混合物料的加入体积质量比为1∶1～3。
7.根据权利要求3所述的粉煤灰改性材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，烘干温度为50～60℃，干燥时间为5～8h。
8.权利要求1所述的粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附的应用。
9.根据权利要求8所述的粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附的应用，其特征在于：污泥热解过程中，粉煤灰改性材料的使用温度为600～800℃。
10.根据权利要求8所述的粉煤灰改性材料在污泥热解过程中对重金属吸附的应用，其特征在于：污泥热解过程中，所述粉煤灰改性材料的使用量为污泥重量的1～10wt.％。
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