一种利用空化污泥制备活性炭的方法与流程

1.本发明属于废弃物再利用技术领域，具体为一种利用空化污泥制备活性炭的方法。


背景技术：

2.随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，剩余污泥产量不断增加。污水处理厂的污泥中含有大量的有毒有害物质，需经浓缩、消化和脱水等各种工艺处理后才能实现污泥的稳定化和无害化，空化技术是一种常用的污泥减量化处理技术，是一种以破碎细胞壁释放出细胞内所含的成分实现强化污泥可降解性的技术，因此能够减少污泥的产量。经空化处理后的污泥特性发生改变，污泥絮体结构被打散、分解，絮体粒径明显减小；细胞壁破碎，胞内物质流出，能够使污泥中的有机碳含量更高，补充碳源；此外，空化处理后污泥中的化学键和自由基也会发生变化。但是空化污泥仍然是废弃物，目前采用传统的污泥处理技术无法满足污泥资源化利用的要求，并存在一定的应用限制，还会引发一些环境问题，如(1)填埋法：在专门填埋场地进行污泥填埋处置，占地面积大，运输费用高昂，且填埋产生的甲烷对温室效应有很大的影响；(2)海洋倾倒法：将污泥直接投入大海，会对海洋生态系统造成威胁；(3)土地利用法：污泥经过妥善处理作为肥料或土壤改良材料，污泥中的重金属容易被植物富集，通过食物链危害人类健康；(4)焚烧法：投资大，能耗高，容易产生二次污染。
3.随着电镀业的迅猛发展，电镀废水污染已成为一个全球性的工业污染问题。电镀废水的水质复杂，成分不易控制，其中含有铜、铬、镉、镍、锌、金、银等重金属离子和氰化物等，有些属于致癌、致畸、致突变的剧毒物质，严重危害环境和人类身体健康。电镀废水处理常用离子交换法、中和沉淀法、氧化法、生物法、膜分离法、电化学法、活性炭吸附法等方法，相较于其他方法，活性炭吸附法具备吸附效果好、环境友好、成本低廉等优势，是最具前景的电镀废水处理方法之一。
4.活性炭吸附材料具有发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，化学稳定性好、再生方便。但是现有技术制备活性炭吸附材料的原料成本高，能源消耗大，操作复杂、制备周期较长，吸附废水中的重金属离子效果不理想，严重制约了它的进一步发展和应用。空化污泥中碳含量较高，可以作为原料，通过高温炭化，制备出吸附性能良好的活性炭材料，并作为吸附剂应用于电镀废水中重金属离子的去除。因此，研发一种简便、能耗低、环境安全性高的方法，提高污泥基炭的稳定性和可行性，降低活性炭的原料成本，提高活性炭吸附重金属的能力，具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供了一种利用空化污泥制备活性炭的方法。
6.一种利用空化污泥制备活性炭的方法，包括以下步骤：
7.(1)空化污泥粉制备：将经pam或fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过40-80目筛，优选60目进行筛分，得到空化污泥粉；
8.(2)原料浸渍：将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1～3配比，加入正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
9.(3)炭化：将干燥样品在惰性气氛环境下高温炭化60分钟；空化污泥高温热解形成炭材料，正己烷高温热解生成氢气，和碳酸钾的共同作用进行扩孔，改善孔隙结构。
10.(4)炭化产物酸水洗：炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、0.5～1l蒸馏水洗涤至中性，可去除杂质及可溶性无机盐类灰分、降解tds浓度，并在60℃的烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
11.作为一种优选实施方式，步骤(1)中，将回收的经pam或fecl3絮凝以及空化后的污泥作为制备活性炭原料之一。
12.作为一种优选实施方式，步骤(2)中，所述的经pam或fecl3絮凝以及空化后的污泥、碳酸钾按质量比1:1～3配比。
13.作为一种优选实施方式，步骤(2)中，所述的正己烷的使用量为20～40ml。
14.作为一种优选实施方式，步骤(3)中，所述的高温炭化温度为500～700℃。
15.作为一种优选实施方式，步骤(3)中，所述的惰性气氛为氮气、氩气或氦气。
16.空化污泥活性炭作为吸附剂在电镀废水处理领域中的应用，包括以下步骤：
17.(1)称取一定量的按上述制备方法制得的空化污泥活性炭样品；
18.(2)将活性炭样品放入到含有电镀废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，即可完成对电镀废水的去除。
19.作为一种优选实施方式，步骤(1)中，所述活性炭使用量为2～4g/l；
20.作为一种优选实施方式，步骤(2)中，所述电镀废水为含铜废水，含铬废水以及含铜含铬废水。
21.本发明提供了一种利用空化污泥制备活性炭的方法，制得的活性炭孔径大小适宜、吸附性能好。本技术制备活性炭的原料是空化后的污泥，解决了空化后的污泥难以处理，同时危害环境的问题。
22.本发明提供了空化污泥再利用的新思路，将经pam或fecl3絮凝以及空化后的污泥作为原料，碳酸钾作为活化剂，正己烷作为扩孔剂，经高温炭化得到活性炭。空化污泥中的有机碳含量较高，絮体结构被打散，可以使碳酸钾更易进入污泥内部，发挥活化扩孔作用；并且由于空化处理后污泥中化学键和自由基会发生变化，有利于与正己烷充分反应，达到增强活性炭孔径的效果。将得到的活性炭作为吸附剂，具有吸附性能好的优势。同时本发明提供的制备方法具备原料来源广泛，价格低廉，无二次污染，资源利用率高的优势。
23.本发明中的活性炭由于孔隙发达，孔隙率高，对铜离子和铬离子有较好的吸附性能，具有较好的协同效果，在水体污染治理领域有极高的实用价值，应用前景广阔。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的利用空化污泥制备活性炭的方法及应用流程图。
25.图2是本发明实施例1提供的活性炭照片图。
26.图3是本发明与商品活性炭对铜离子去除率的对比图。
27.图4是本发明与商品活性炭对铬离子去除率的对比图。
具体实施方式
28.如图1所示，一种利用空化污泥制备活性炭的方法及应用，包括以下步骤：
29.s101.将经pam或fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
30.s102.将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1～3配比，加入一定量的正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
31.s103.将干燥样品在500～700℃、惰性气氛环境下高温炭化60分钟；
32.s104.炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、0.5～1l蒸馏水洗涤至中性，并在60℃的烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭；
33.s105.称取一定量的上述活性炭样品，将活性炭样品放入到含有电镀废水的碘量瓶中，投加量为2～4g/l，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，即可完成对电镀废水的去除。
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
35.实施例1
36.(1)将经pam絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
37.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1配比，加入20ml正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
38.(3)将干燥样品在500℃、氮气气氛环境下高温炭化60分钟；
39.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、500ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
40.(5)称取0.13g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铜废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铜离子的含量，并计算铜离子的去除率。
41.实施例1制得的活性炭比表面积为575.21m2/g，亚甲基蓝吸附量为365.3603mg/g，用实施例1制得的活性炭吸附含铜废水去除率为97.86％，比商品活性炭提高了25.26％。
42.实施例2
43.(1)将经pam絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
44.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:2配比，加入30ml正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
45.(3)将干燥样品在600℃、氩气气氛环境下高温炭化60分钟；
46.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、700ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
47.(5)称取0.1g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铜废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铜离子的含量，并计算铜离子的去除率。
48.实施例2制得的活性炭比表面积为607.86m2/g，亚甲基蓝吸附量为398.9111mg/g，用实施例2制得的活性炭吸附含铜废水去除率为99.04％，比商品活性炭提高了26.44％。
49.实施例3
50.(1)将经fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
51.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1配比，加入20ml正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
52.(3)将干燥样品在500℃、氦气气氛环境下高温炭化60分钟；
53.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、500ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
54.(5)称取0.13g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铬废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铬离子的含量，并计算铬离子的去除率。
55.实施例3制得的活性炭比表面积为599.33m2/g，亚甲基蓝吸附量为368.7602mg/g，用实施例3制得的活性炭吸附含铬废水去除率为97.12％，比商品活性炭提高了35.52％。
56.实施例4
57.(1)将经fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
58.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:2配比，加入30ml正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
59.(3)将干燥样品在600℃、氮气气氛环境下高温炭化60分钟；
60.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、600ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
61.(5)称取0.1g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铬废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铬离子的含量，并计算铬离子的去除率。
62.实施例4制得的活性炭比表面积为637.17m2/g，亚甲基蓝吸附量为405.3145mg/g，用实施例4制得的活性炭吸附含铬废水去除率为99.08％，比商品活性炭提高了37.48％。
63.实施例5
64.(1)将经pam和fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
65.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1配比，加入20ml正己烷浸渍混合，
振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
66.(3)将干燥样品在500℃、氮气气氛环境下高温炭化60分钟；
67.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、600ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
68.(5)称取0.13g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铜含铬废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铜离子铬离子的含量，并计算铜离子铬离子的去除率。
69.实施例5制得的活性炭比表面积为626.25m2/g，亚甲基蓝吸附量为403.3591mg/g，用实施例5制得的活性炭吸附含铜废水去除率为98.83％，比商品活性炭提高了26.23％，含铬废水去除率为98.35％，比商品活性炭提高了36.75％。
70.实施例6
71.(1)将经pam和fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；
72.(2)将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:2配比，加入30ml正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；
73.(3)将干燥样品在600℃、氦气气氛环境下高温炭化60分钟；
74.(4)炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l的盐酸100ml、800ml蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。
75.(5)称取0.1g的上述活性炭样品，放入到含有50ml电镀含铜含铬废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，最后过滤，测定水样中铜离子铬离子的含量，并计算铜离子铬离子的去除率。
76.实施例6制得的活性炭比表面积为659.28m2/g，亚甲基蓝吸附量为431.0357mg/g，用实施例6制得的活性炭吸附含铜废水去除率为99.65％，比商品活性炭提高了27.05％，含铬废水去除率为99.58％，比商品活性炭提高了37.98％。由以上实施例的数据可以得知，本发明制备的活性炭对于含铜废水具有较好的去除效果，实现了对空化污泥资源的充分利用。

技术特征：
1.一种利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，将经pam或fecl3絮凝后的污泥空化干燥，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分，得到空化污泥粉；步骤二，将筛分出的空化污泥粉、碳酸钾按质量比1:1～3配比，加入正己烷浸渍混合，振荡12小时后将混合液置于60℃烘箱中烘至恒重，送入粉碎机中粉碎后过60目筛进行筛分；步骤三，将样品在管式炉中的惰性气氛环境下高温炭化60分钟；步骤四，炭化结束后，冷却至室温，分别用1mol/l盐酸以及蒸馏水洗涤至中性，并在60℃烘箱中干燥，磨碎后过100目筛，得到空化污泥活性炭。2.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤一中，经pam或fecl3絮凝后的污泥可用经生物絮凝剂絮凝后的污泥替代。3.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤一中，所述碳酸钾可用碳酸氢钠替代，用于活化造孔。4.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤二中，所述空化污泥粉、碳酸钾混合比例为：按质量比空化污泥：碳酸钾＝1:1～3。5.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤二中，所述正己烷的使用量为20～40ml。6.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤三中，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中一种。7.如权利要求1所述利用空化污泥制备活性炭的方法，其特征在于，步骤三中，所述炭化温度为500～700℃。8.如权利要求1-7所述方法制备的空化污泥活性炭作为吸附剂在电镀废水处理领域中的应用，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，称取一定量的空化污泥活性炭；步骤二：将活性炭放入到含有电镀废水的碘量瓶中，然后将碘量瓶放置振荡器中恒温振荡2小时，过滤，完成对电镀废水的去除。9.如权利要求8所述的空化污泥活性炭作为吸附剂在电镀废水处理领域中的应用，其特征在于，步骤一中，所述活性炭使用量为2～4g/l。10.如权利要求8所述的空化污泥活性炭作为吸附剂在电镀废水处理领域中的应用，其特征在于，步骤二中，所述电镀废水为含铜废水，含铬废水或含铜含铬废水。

技术总结
本发明涉及一种利用空化污泥制备活性炭的方法，属于废弃物再利用领域。本发明将经PAM或FeCl3絮凝、空化后的污泥、碳酸钾按一定比例配比，浸渍、烘干后，在高温下活化炭化，所得活性炭吸附性能好。本发明方法提供的活性炭，应用于电镀废水的处理，铜离子的平均去除率可达98.85％，铬离子的平均去除率可达98.53％。同时原料来源广泛，价格低廉，无二次污染，资源利用率高，在水体污染治理领域有极高的实用价值，应用前景广阔。应用前景广阔。应用前景广阔。


技术研发人员：李立欣 吕颖 宋春莲
受保护的技术使用者：李立欣
技术研发日：2022.04.09
技术公布日：2022/5/25