CN115920840A - 一种污泥基活性炭吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥基活性炭吸附剂及其制备方法和应用，包括如下重量份的原料组分：污泥颗粒100份、增碳剂10‑50份、粘结剂5‑20份；其中，所述污泥颗粒与所述增碳剂先进行混合，然后浸渍于活化剂水溶液中进行化学活化处理，再经抽滤分离，并经清水反复清洗得到固体混合物质；随后，将固体混合物质与粘结剂混合，经高温炭化、物理活化处理，得到成品污泥基活性炭吸附剂。其具有较高的碘吸附值和比表面积，吸附性能优异，强度高，使用性能好，制备工艺简单，将污泥变废为宝，实现城市污泥减量化、无害化、资源化处置的环保目标，加快生物质固废资源化利用进程。

Description

一种污泥基活性炭吸附剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及吸附材料技术领域，具体涉及一种污泥基活性炭吸附剂及其制备方法和应用。

背景技术

在众多水环境治理方法中，吸附剂法是一种简便、高效的方法。吸附剂法主要特征是采用比表面积大、成本低且绿色的炭基材料作为客体分子的吸附剂，在特定装置中对流动的污染水源进行清洁。污泥中的有机物含量丰富，这为使用污泥来制备活性炭提供了可能。利用城市污水处理厂污泥制备活性炭是处理城市污泥的一条新路线，该方法可以将污泥变废为宝，这符合污泥的无害化、减量化，为污泥资源化提供了新的途径。

专利CN113683205A公开了一种水处理材料，该水处理材料包括高新纳米膜，高新纳米膜的数量为多个，多个高新纳米膜分为四组，且每组有四个，四组高新纳米膜呈直线等距排列，高新纳米膜的外侧设置有高新纳米颗粒，高新纳米膜由纳米微孔组成。该发明提供的水处理材料使用无毒无害的高新纳米膜的静电聚合作用代替有毒有害的化学絮凝剂，廉价的高新纳米膜代替昂贵的活性炭在污水处理过程中作深度吸附处理，但是该专利没有提到高新纳米膜的污染问题如何解决，频繁更换可能导致后续运行成本偏高。

专利CN110818481A公开了一种污泥资源化方法，包括如下步骤：(1)混合干物料：向污泥中添加干物料，搅拌均匀，得到发酵基质，干物料包括废弃茶树枝叶，木屑和食用菌废弃菌棒；(2)好氧发酵：向发酵基质中接种微生物菌剂，28～30℃搅拌发酵3～5天；(3)脱水处理：向发酵后的污泥中投入膨润土，混合均匀后压滤脱水至含水量低于50％；(4)干燥粉碎：将脱水后得到的滤饼自然风干或加热干燥，经粉碎，过10目筛，获得基质颗粒；(5)制备基质：将基质颗粒与草炭土、蛭石混合，制得茶树栽培基质。该方法可有效避免污泥处理过程中造成的环境污染，实现减量化处理的简化；但是附加值较低，且污泥用于茶树培植可能会导致污泥中重金属转移到植物中，被人类食用而对人身造成伤害。

专利CN104045082A中公开了一种污泥活性炭及其制备方法，该活性炭制备方法为：按照重量份数称取污泥和生物有机肥发酵菌种混合发酵3～5天后备用；发酵后的污泥置于微波炉中微波活化制得半成品，微波强度为650～750W，活化时间为3～5小时；将半成品用蒸馏水冲洗至中性，再经真空干燥后，与称取的活性炭混合研磨过筛得活性炭成品。该发明利用污泥为原料制备活性炭，能有效解决城市污泥的处理问题，但是该污泥活性炭的孔隙较差，性能与商品活性炭相比较低，且污泥占比较低，资源化污泥总量较小。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种污泥基活性炭吸附剂，其具有较高的碘吸附值和比表面积，吸附性能优异，强度高，使用性能好，制备工艺简单，将污泥变废为宝，实现城市污泥减量化、无害化、资源化处置的环保目标，加快生物质固废资源化利用进程。此外，本发明还提供一种上述污泥基活性炭吸附剂的制备方法和其在水处理、废气处理和改良土壤领域的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种污泥基活性炭吸附剂，包括如下重量份的原料组分：

污泥颗粒100份、增碳剂10-50份、粘结剂5-20份；

其中，所述污泥颗粒与所述增碳剂先进行混合，然后浸渍于活化剂水溶液中进行化学活化处理，再经抽滤分离，并经清水反复清洗得到固体混合物质；

随后，将固体混合物质与粘结剂混合，经高温炭化、物理活化处理，得到成品污泥基活性炭吸附剂。

采用上述技术方案：

本申请中以污泥作为主要原料，将污泥变废为宝，符合污泥的无害化、减量化处理要求，为污泥资源化提供了新的途径；首先，向污泥中加入增碳剂，可以有效弥补污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷；其次，将污泥和增碳剂投入至化学活化剂水溶液中进行充分浸渍活化，化学活化剂与固体组分充分结合，在后续的炭化过程中促进碳骨架的形成与微孔的建立；然后，将炭化后的样品再进行物理活化处理，能进一步丰富其孔结构，暴露更多的吸附位点，实现炭材料成品吸附性能的提升。

具体地，所述活化剂水溶液的浓度为1～6mol/L，所述活化剂为酸活化剂、碱活化剂、盐活化剂中的一种或几种。

优选地，活化剂水溶液的浓度为2～4mol/L，可以达到较好的活化效果，同时也保证了最终制得的活性炭成品的强度。

当活化剂水溶液的浓度较小时，对炭材料的扩孔效果不明显，但是随着活化剂水溶液的浓度增大，扩孔作用越明显，所得的活性炭成品的吸附性能越好，而当活化剂水溶液的浓度过高，过量添加后，会导致炭材料被过度烧蚀，孔结构坍塌，吸附性能没有提升反而稍有降低。因此，将活化剂水溶液的浓度控制在2～4mol/L，其制备得到的活性炭成品的吸附性能较为优异，同时也保证了最终制得的活性炭成品的强度。

优选地，活化剂为盐活化剂，盐活化剂为ZnCl₂、氢氧化钠、碳酸钾中的一种或几种。

具体地，所述高温炭化在保护气氛下进行，炭化温度为500～1000℃，炭化时间为30～180min，保护气氛气体为氮气、氦气中的一种或两种。

优选地，所述炭化温度为500～700℃，炭化时间为30～90min。

具体地，所述物理活化过程中，活化温度为500～1000℃，活化时间为30～180min，物理活化过程中主要以水蒸气、二氧化碳、氧气或空气的一种或几种为活化介质。

优选地，所述物理活化温度为600～900℃，活化时间为30～120min，活化介质采用水蒸气。

本申请中的炭化、活化工艺步骤采用炭化活化一体炉，并经大量的实验，综合考虑最终制备的活性炭成品的强度、吸附性能等性能指标，最终确定了最优的炭化温度、炭化时间、以及物理活化温度、物理活化时间。

热解炭化和高温活化过程中产生的可燃性气体既可用作炭化过程、活化过程的热源，也可作为原料干燥脱水的热源。

热解炭化的主要功能是在无氧高温条件下材料中的挥发分分解逸出，形成复杂多孔的孔隙结构，其中部分炭化产物碳原子组合成为不规则的芳香族环片状结构，造成部分裂缝，这些裂缝会在后续的高温活化工艺中进一步形成更为发达的微孔结构，提升吸附性能。

本申请中高温物理活化过程中活化介质(水蒸气)与炭化料之间进行氧化还原反应，达到扩旧孔开新孔的目的。物料的炭表面吸附水蒸气后，吸附的水蒸气释放出氢气，吸附的氧以CO的形态从炭表面脱落；生成的CO与炭表面上的吸附氧反应生产CO₂；炭表面与水蒸气持续进行上述反应。这种反应不仅扩大了活性炭复杂多孔的孔隙结构，改善了孔隙的性能指标，还可清除炭化过程中积蓄在孔隙结构内的热解焦油及未逸出的热解产物，扩大了孔隙结构、提高了孔洞体积和比表面积、增多了复杂的表面官能团，得到最佳吸附性能的活性炭材料。

具体地，所述污泥颗粒的含水量为2～25wt％，粒径为80～200目。

污泥颗粒的制备过程如下：将经过预处理的污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛处理，得到污泥颗粒。优选地，污泥颗粒的含水量为2～10wt％。通过对污泥预先进行干燥处理，有助于后续污泥颗粒与增碳剂混合均匀。

污泥为非危废污泥，非危害类污泥的实例包括但不限于市政污泥、造纸污泥，且污泥的预处理方式为好氧发酵、厌氧发酵、低温带式干化、热干化中的一种或多种。

具体地，所述增碳剂为椰壳、木粉、稻壳粉、煤炭、秸秆中的一种或几种，所述粘结剂为煤焦油、木焦油、CMC(羧甲基纤维素钠)、木质素、无机粘结剂中的一种或几种。

增碳剂在使用时，预先经干燥脱水处理，再经粉碎、过筛。

本发明的第二方面，提供一种上述污泥基活性炭吸附剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将污泥颗粒、增碳剂按照配方量进行干混，得到固体混合材料；

S2、将固体混合材料加入至活化剂水溶液中充分搅拌、后经静置处理进行化学活化，再将混合溶液进行抽滤分离，并经清水反复清洗，直至固体体系pH值在6～8，得到固体混合物质；

S3、将固体混合物质与配方量的粘结剂混合均匀，经成型处理得到前体材料；

S4、将前体材料进行烘干处理，具体地，采用恒温干燥箱，在80～110℃的温度下，烘干8h以上，再经高温炭化、物理活化处理，得到成品污泥基活性炭吸附剂。

本发明制得的活性炭成品的碘吸附值为600～1000mg/g，活性炭的强度为80～97％。

该活性炭成品不仅具有优异的的吸附性能，而且形成的碳质结构更为稳固，强度高，在使用时不会发生掉粉现象，不会出现二次污染现象。

本发明的第三方面，提供一种上述污泥基活性炭吸附剂的应用，所述污泥基活性炭吸附剂用于水处理、废气处理和改良土壤领域。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中采用污泥为主要原料，将污泥变废为宝，符合污泥的无害化、减量化处理要求，为污泥资源化提供了新的途径；

(2)首先，向污泥中加入增碳剂，可以有效弥补污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷；其次，将污泥和增碳剂投入至化学活化剂水溶液中进行充分浸渍活化，化学活化剂与固体组分充分结合，在后续的炭化过程中促进碳骨架的形成与微孔的建立；然后，将炭化后的样品再进行物理活化处理，能进一步丰富其孔结构，暴露更多的吸附位点，实现炭材料成品吸附性能的提升；

(3)该污泥基活性炭吸附剂具有较高的碘吸附值和比表面积，吸附性能优异，强度高，使用性能好，制备工艺简单，可广泛用于水处理、废气处理和改良土壤领域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

污泥基活性炭吸附剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、原料预处理：

(1)将城市污水处理厂污泥经好氧发酵处理，再将其干燥脱水处理后，经粉碎、过200目筛处理，得到含水量为2～10wt％的污泥颗粒；

(2)将椰壳经干燥脱水处理后，再经粉碎、过200目筛，得到椰壳粉；

S2、化学活化处理：

(1)将污泥颗粒与椰壳粉按照比例进行干混，得到固体混合材料；

(2)将固体混合材料加入至4mol/L的活化剂水溶液中充分搅拌混合，控制固体混合物质与活化剂水溶液的质量比为1：4，后经静置处理48h进行化学活化，再将混合溶液进行抽滤分离，并经清水反复清洗直至固体体系pH值为7，得到固体混合物质；

S3、原料混合、造型：

(1)将固体混合物质置于混匀机中，加入配方量的木质素混合均匀，本实施例中，原料组分的具体用量为：污泥颗粒100份、增碳剂40份、粘结剂10份；

(2)将混匀后的材料置于挤条机中经成型处理得到直径为5mm的圆柱状前体材料；

S4、炭化、物理活化处理：

(1)将前体材料采用恒温干燥箱，在80℃的温度下，烘干10h；

(2)再经烘干处理后的前体材料输送至炭化活化一体炉中，在氮气气氛保护下，在温度为600℃，化时间为30min条件下进行炭化处理；

(3)将经炭化处理后的材料经700℃，30min的水蒸气活化，经冷却后，即得成品污泥基活性炭吸附剂。

实施例2

污泥基活性炭吸附剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、原料预处理：

(1)将城市污水处理厂污泥经好氧发酵处理，再将其干燥脱水处理后，经粉碎、过200目筛处理，得到含水量为2～10wt％的污泥颗粒；

(2)将椰壳经干燥脱水处理后，再经粉碎、过200目筛，得到椰壳粉；

S2、化学活化处理：

(1)将污泥颗粒与椰壳粉按照比例进行干混，得到固体混合材料；

(2)将固体混合材料加入至3mol/L的活化剂水溶液中充分搅拌混合，控制固体混合物质与活化剂水溶液的质量比为1：4，后经静置处理48h进行化学活化，再将混合溶液进行抽滤分离，并经清水反复清洗直至固体体系pH值为7，得到固体混合物质；

S3、原料混合、造型：

(1)将固体混合物质置于混匀机中，加入配方量的木质素混合均匀，本实施例中，原料组分的具体用量为：污泥颗粒100份、增碳剂50份、粘结剂20份；

(2)将混匀后的材料置于挤条机中经成型处理得到直径为5mm的圆柱状前体材料；

S4、炭化、物理活化处理：

(1)将前体材料采用恒温干燥箱，在80℃的温度下，烘干10h；

(2)再经烘干处理后的前体材料输送至炭化活化一体炉中，在氮气气氛保护下，在温度为700℃，化时间为90min条件下进行炭化处理；

(3)将经炭化处理后的材料经900℃，60min的水蒸气活化，经冷却后，即得成品污泥基活性炭吸附剂。

实施例3

污泥基活性炭吸附剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、原料预处理：

(1)将城市污水处理厂污泥经好氧发酵处理，再将其干燥脱水处理后，经粉碎、过200目筛处理，得到含水量为2～10wt％的污泥颗粒；

(2)将椰壳经干燥脱水处理后，再经粉碎、过200目筛，得到椰壳粉；

S2、化学活化处理：

(1)将污泥颗粒与椰壳粉按照比例进行干混，得到固体混合材料；

(2)将固体混合材料加入至2mol/L的活化剂水溶液中充分搅拌混合，控制固体混合物质与活化剂水溶液的质量比为1：4，后经静置处理48h进行化学活化，再将混合溶液进行抽滤分离，并经清水反复清洗直至固体体系pH值为7，得到固体混合物质；

S3、原料混合、造型：

(1)将固体混合物质置于混匀机中，加入配方量的CMC混合均匀，本实施例中，原料组分的具体用量为：污泥颗粒100份、增碳剂10份、粘结剂5份；

(2)将混匀后的材料置于挤条机中经成型处理得到直径为4mm的圆柱状前体材料；

S4、炭化、物理活化处理：

(1)将前体材料采用恒温干燥箱，在80℃的温度下，烘干10h；

(2)再经烘干处理后的前体材料输送至炭化活化一体炉中，在氮气气氛保护下，在温度为500℃，化时间为90min条件下进行炭化处理；

(3)将经炭化处理后的材料经600℃，90min的水蒸气活化，经冷却后，即得成品污泥基活性炭吸附剂。

实验例

对实施例1-3中制得的污泥基活性炭吸附剂进行碘吸附值和强度性能测试，测试结果见表1。

活性炭碘值性能测试方法采用GB/T 7702.7-2008《煤质颗粒活性炭试验方法-碘吸附值的测定》；强度性能测试方法采用GB/T7702.3-2008《煤质颗粒活性炭试验方法--强度的测定》。

表1

由表1中测试结果可知，实施例1-3中制得的活性炭成品的碘吸附值为600～1000mg/g，活性炭的强度为80～97％，说明，本申请中制得的具有较高的碘吸附值和比表面积，吸附性能优异，而且形成的碳质结构更为稳固，强度高，在使用时不会发生掉粉现象，不会出现二次污染现象。

综上，本发明中采用污泥为主要原料，将污泥变废为宝，符合污泥的无害化、减量化处理要求，为污泥资源化提供了新的途径；首先，向污泥中加入增碳剂，可以有效弥补污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷；其次，将污泥和增碳剂投入至化学活化剂水溶液中进行充分浸渍活化，化学活化剂与固体组分充分结合，在后续的炭化过程中促进碳骨架的形成与微孔的建立；然后，将炭化后的样品再进行物理活化处理，能进一步丰富其孔结构，暴露更多的吸附位点，实现炭材料成品吸附性能的提升；该污泥基活性炭吸附剂具有较高的碘吸附值和比表面积，吸附性能优异，强度高，使用性能好，制备工艺简单，可广泛用于水处理、废气处理和改良土壤领域。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，包括如下重量份的原料组分：

污泥颗粒100份、增碳剂10-50份、粘结剂5-20份；

其中，所述污泥颗粒与所述增碳剂先进行混合，然后浸渍于活化剂水溶液中进行化学活化处理，再经抽滤分离，并经清水反复清洗得到固体混合物质；

随后，将固体混合物质与粘结剂混合，经高温炭化、物理活化处理，得到成品污泥基活性炭吸附剂。

2.根据权利要求1所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述活化剂水溶液的浓度为1～6mol/L，所述活化剂为酸活化剂、碱活化剂、盐活化剂中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述高温炭化在保护气氛下进行，炭化温度为500～1000℃，炭化时间为30～180min。

4.根据权利要求3所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述炭化温度为500～700℃，炭化时间为30～90min。

5.根据权利要求1所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述物理活化过程中，活化温度为500～1000℃，活化时间为30～180min。

6.根据权利要求5所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述物理活化温度为600～900℃，活化时间为30～120min。

7.根据权利要求1所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述污泥颗粒的含水量为2～25wt％，粒径为80～200目。

8.根据权利要求1所述的污泥基活性炭吸附剂，其特征在于，所述增碳剂为椰壳、木粉、稻壳粉、煤炭、秸秆中的一种或几种，所述粘结剂为煤焦油、木焦油、CMC、木质素、无机粘结剂中的一种或几种。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的污泥基活性炭吸附剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将污泥颗粒、增碳剂按照配方量进行干混，得到固体混合材料；

S2、将固体混合材料加入至活化剂水溶液中充分搅拌、后经静置处理进行化学活化，再将混合溶液进行抽滤分离，并经清水反复清洗得到固体混合物质；

S3、将固体混合物质与配方量的粘结剂混合均匀，经成型处理得到前体材料；

S4、将前体材料进行烘干处理，再经高温炭化、物理活化处理，得到成品污泥基活性炭吸附剂。

10.一种如权利要求1-8中任一项所述的污泥基活性炭吸附剂的应用，其特征在于，所述污泥基活性炭吸附剂用于水处理、废气处理和改良土壤领域。