污泥制備活性炭及其應(yīng)用研究報告進展

1、. 污泥制備活性炭及其應(yīng)用研究進展 - 污泥處置摘 要 分析污泥的來源與組分，對污泥制備活性炭的國外研究現(xiàn)狀及實際應(yīng)用進展研究，提出了污泥制備活性炭目前存在的問題。 作為污水處理的副產(chǎn)物，城市污泥是一類特殊的固體廢物，其產(chǎn)生量大，成分復(fù)雜，由膠體、無機顆粒、有機殘片、細(xì)菌菌體等組成，是組成非常復(fù)雜的非均質(zhì)體，含有60%80%的有機物，被世界水環(huán)境組織命名為生物固體，說明了污泥具有資源化的潛質(zhì)。將污泥制成活性炭是很有開展前景的污泥資源化的處置方式之一，它在保證了污泥不會造成二次污染的根底之上，還能制得活性炭吸附材料。1 污泥的來源與組分從元素的角度來講，污泥中的有機物主要包含碳C、氫H、氧0、氮

2、N、硫S、氯Cl等六種元素。從化學(xué)組成的角度來講，污泥中的有機物組成包含毒性有機物、有機生物質(zhì)和有機官能團化合物和微生物。污水處理廠的剩余活性污泥的主要組成成分為有機物，粗蛋白質(zhì)大概占60%70%，碳水化合物大約占25%左右，其無機灰分的含量僅為5%左右4。2 污泥制備活性炭的國外研究現(xiàn)狀污泥基活性炭的活化方法主要有物理活化、化學(xué)活化和化學(xué)-物理聯(lián)合活化等。2.1 物理活化法物理活化法主要包括直接熱解法和氣體活化法。2.1.1 直接熱解法直接熱解法是指在氮氣氣氛的保護作用下，將污泥置于電阻爐中，將污泥加熱至熱解溫度后保持恒溫一段時間，再經(jīng)后續(xù)處理得到粉末狀污泥基吸附劑。Fan等5利用*市污水處

3、理廠產(chǎn)生的厭氧消化污泥為原材料，用氮氣作保護氣，以15 /min的升溫速率升至500，并在此溫度下直接熱解3 h，制得的污泥基活性炭主要以中孔和大孔為主。新加坡學(xué)者Lu等6采用直接熱解法制備污泥基吸附劑，由研究可以得出，在較低的溫度圍，隨著熱解溫度的升高與停留時間的延長，污泥基吸附劑的比外表積也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；當(dāng)溫度在550650之間時，隨著熱解溫度的升高，其比外表積卻呈現(xiàn)出了下降的趨勢；當(dāng)熱解溫度超過850以后，比外表積逐漸減小。2.1.2 氣體活化法氣體活化法制備污泥基活性炭是指先對污水污泥直接進展高溫?zé)峤猓缓罄盟羝?、CO2、O2等活化氣體，在6001200下對碳進展弱的氧化作

4、用，疏通材料的孔徑，使其發(fā)生造孔與擴孔的現(xiàn)象，進而形成碳基吸附劑的多孔微晶構(gòu)造。有研究結(jié)果說明，熱解溫度、熱解時間和氣體流量會影響污泥基吸附劑的孔徑分布，改變活化氣體中CO2與H2O比例可以控制吸附劑的孔徑分布。Jindarom等利用污泥制備活性炭吸附材料，采用二氧化碳?xì)怏w作為保護氣體，于750下活化30 min，升溫速率為20/min，制得的污泥基活性炭的比外表積為61 m2/g。Mndez等利用污水處理廠產(chǎn)生的厭氧與好氧消化污泥作為原材料，采用氣體活化法制備污泥基活性炭。在隔絕空氣的條件下采用氮氣作為保護氣，在450下熱解1h，制得的污泥基活性炭的比外表積分別為16 m2/g和81 m2/

5、g。為了進一步提高污泥基活性炭的吸附性能，在N2和O2的混合氣流下，以10/min的升溫速率升溫至275，并在此溫度下活化4 h，其中，O2與N2的體積比為1：29，流量為150 mL/min。碳化-氣體活化后的污泥基活性炭的比外表積分別增加至102 m2/g和105 m2/g。由此實驗結(jié)果可以得出，氣體活化法可以顯著的提高兩種污泥基活性炭的比外表積值，其中對于厭氧消化污泥制備的污泥基活性炭吸附性能的提高效果更為顯著。2.2 化學(xué)活化法化學(xué)活化法對于制備高比外表積污泥基吸附劑具有顯著優(yōu)勢，目前采用的化學(xué)活化劑主要有H2SO4、H3PO4、ZnCl2、NaOH和KOH等。在污泥的熱解工藝中，由于

6、污水污泥的來源和特性不同，活化劑的選擇顯得非常重要，選擇出適宜的化學(xué)活化劑不僅可以提高污泥基吸附劑的產(chǎn)率與碳含量，還可以縮短制備過程中的活化時間，更可以大幅度的提高污泥基吸附劑的吸附性能。2.2.1 硫酸活化法目前，國外大多數(shù)的采用硫酸作為活化劑制備污泥基吸附劑研究均采用先將污泥在各種不同濃度的H2SO4溶液中浸漬2448h，然后在N2氣氛下熱解一定時間，熱解溫度對制得的污泥基吸附劑的比外表積會產(chǎn)生一定的影響。Bagreev等采用肥料廠產(chǎn)生的含水率為5%的污泥作為原材料，于300下制備的污泥基吸附劑比外表積值很低，僅為26 m2/g；當(dāng)活化溫度增加到600時，污泥基吸附劑的比外表積有了明顯的提

7、高，由原來的26 m2/g增加到了170 m2/g。Zhang等13利用有機污泥制備污泥基吸附劑，當(dāng)熱解溫度為650、熱解時間為60 min時，實驗測得污泥基吸附劑的比外表積為408 m2/g，為直接熱解法制備的污泥基吸附劑的2.97倍。由二者的比照可以得出，污水污泥的來源和特性對于污泥基吸附劑的比外表積有很大的影響，采用H2SO4作為化學(xué)活化法制得的污泥基吸附劑吸附性能明顯優(yōu)于直接熱解法和氣體活化法。2.2.2 氯化鋅活化法采用ZnCl2作為化學(xué)活化劑制備污泥基吸附劑是目前國外研究常采用的方法之一。在高溫?zé)峤饣罨^程中，ZnCl2主要起潤漲、脫水以及縮合的作用，對纖維素的降解產(chǎn)生促進作用，防

8、止熱解過程中焦油的產(chǎn)生以提高吸附劑含碳量，從而制備具有孔隙構(gòu)造興旺的吸附劑14。當(dāng)ZnCl2濃度較小時，污泥基吸附劑主要孔隙構(gòu)造是微孔，隨著氯化鋅濃度的增大，微孔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌?。過長的浸漬時間和過大的浸漬濃度會導(dǎo)致微孔變成中孔甚至形成大孔。有研究說明，較高的氯化鋅濃度可以提高污泥基吸附劑的產(chǎn)率。采用氯化鋅作為化學(xué)活化劑可以制得比外表積較高的污泥基吸附劑。ZnCl2對污泥的化學(xué)活化作用很明顯，是一種效果很好的化學(xué)活化劑。制得的污泥基吸附劑中含有的氯化鋅晶體可以通過酸洗和水洗去除。2.2.3 磷酸活化法磷酸作為活化劑時，在活化過程中同時起到脫水和酸催化的作用。Zhang等13采用H3PO4作為化學(xué)

9、活化劑，活化溫度650下制得的污泥基吸附劑的比外表積為289 m2/g。但是，磷酸具有很強的腐蝕性，會嚴(yán)重的腐蝕設(shè)備，因此限制了它在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，而且，采用磷酸作為化學(xué)活化劑時，所采用的污泥的化學(xué)成分有一定的限制。2.2.4 氫氧化鉀活化法KOH作為活化劑時，在氧化反響中其自身具有一定的催化作用。有研究說明，在采用碳化-浸漬活化兩段法制備污泥基吸附劑的過程中，采用KOH作為化學(xué)活化劑時，污泥基吸附劑的比外表積較高。一般認(rèn)為，KOH的活化原理為：4 KOH+CK2CO3+K2O+2H2Rdenas等采用碳化-浸漬活化兩段法制備污泥基吸附劑，其比外表積為1900 m2/g。其中，碳化階段制得

10、的污泥基吸附劑的比外表積為7 m2/g，而經(jīng)過KOH活化后制得的污泥基吸附劑的比外表積增加了大約270倍。由此可以得出，KOH作為化學(xué)活化劑制備的污泥基吸附劑的比外表積較高，其造孔效果明顯。黃正宏等采用KOH作為化學(xué)活化劑制備粘膠基活性炭纖維，實驗結(jié)果說明：試驗中所采用的兩種活化方法制備的粘膠基活性炭纖維均以微孔為主，但是，KOH活化制得的粘膠基活性炭纖維的孔徑分布不同于其他方法制備的粘膠基活性炭纖維，具有更窄的孔徑分布?？傊?，不同的化學(xué)活化劑在活性炭吸附材料的制備過程中所起的作用是不同的。目前，H2SO4、ZnCl2應(yīng)用的最多，H3PO4和KOH應(yīng)用的相對少一些。2.3 化學(xué)物理聯(lián)合活化法化

11、學(xué)-物理聯(lián)合活化法是指將化學(xué)活化法與物理活化法有效地結(jié)合起來，通過調(diào)整活化氣體流量以及污泥與活化劑的質(zhì)量比來獲得滿意的污泥基活性炭。由化學(xué)活化法制備的活性炭以微孔為主，由物理活化法制備的活性炭主要是多孔微晶構(gòu)造，由化學(xué)-物理聯(lián)合活化法制備的污泥基活性炭以中孔為主，比外表積大，而且外表形成了特殊化學(xué)官能團。3 污泥基活性炭的實際應(yīng)用污泥基活性炭的吸附性能良好，但是由于污泥基活性炭中含有重金屬以及其比外表積的限制，目前主要應(yīng)用于環(huán)境污染控制領(lǐng)域，主要集中在廢水和廢氣的治理方面。3.1 在廢水處理中的應(yīng)用目前，污泥基活性炭在廢水處理方面的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：吸附廢水中的重金屬離子，吸附廢水中的

12、染料，吸附苯酚或苯酚類化合物，在活性污泥活性炭粉末處理工藝中的應(yīng)用，吸附其他污染物，如COD、苯甲酸、四氯化碳等。在利用污泥基活性炭吸附廢水中的各種污染物時，不僅要考慮污泥基活性炭的孔徑構(gòu)造和比外表積，同時還要考慮其外表官能團的化學(xué)作用。方平等采用ZnCl2作為化學(xué)活化劑對污泥進展高溫?zé)峤庵苽湮勰嗷钚蕴浚⑵鋺?yīng)用于廢水中Pb2+的去除。 Otero等利用污泥制備活性炭，并對此活性炭去除有機廢水中水晶紫C16H8N2O8S2、靛青紅C25H30ClN3和苯酚等三種污染物的效果進展了研究。還有研究將污泥基吸附劑應(yīng)用于廢水中苯酚的去除，實驗結(jié)果說明，當(dāng)苯酚的濃度在100 mg/L2000 mg/

13、L圍，吸附劑的質(zhì)量濃度為0.5%，溫度為25時，苯酚的平衡吸附容量為55 mg/g，吸附平衡時間為4 h。3.2 污泥基活性炭在廢氣處理中的應(yīng)用目前，污泥基活性炭在廢氣處理中主要應(yīng)用于惡臭氣體H2S、二氧化硫等氣體的去除。污泥基活性炭吸附去除H2S的主要機理為污泥基活性炭外表附著的一些金屬氧化物對于H2S轉(zhuǎn)化為S單質(zhì)的催化氧化作用，主要與污泥基活性炭外表的空隙構(gòu)造和污泥基活性炭外表催化劑的分布、位置及其與活性炭的結(jié)合方式有關(guān)，其中污泥基活性炭外表的空隙構(gòu)造決定了反響產(chǎn)物固態(tài)硫的存儲和轉(zhuǎn)移，后者則決定了催化反響發(fā)生的程度。中孔構(gòu)造較為興旺的污泥基活性炭有利于氧化產(chǎn)物固態(tài)硫的儲存，而且污泥基活性炭

14、外表的金屬氧化物有催化氧化作用，因此，對于H2S氣體的去除，污泥基活性炭比商品活性炭更具有優(yōu)勢。有研究說明，當(dāng)污泥基活性炭用于去除H2S時，其吸附容量為商品活性炭的23倍，平均100 g的污泥基活性炭就可以吸附10 gH2S氣體。污泥基活性炭吸附二氧化硫時首先發(fā)生的是物理吸附過程，二氧化硫被吸附到活性炭外表以后繼續(xù)被氧化為三氧化硫，最后與水反響生成硫酸，硫酸再與污泥基活性炭中的無機氧化物發(fā)生反響，生成可溶性的硫酸鹽，當(dāng)污泥基活性炭中的活性無機組分消耗完畢時，反響停頓。4 結(jié)語將城市污水處理廠產(chǎn)生的污水污泥制備成孔隙構(gòu)造興旺的污泥基活性炭，既可以解決污泥的處理處置問題，又可以充分利用污泥中豐富的

15、有機質(zhì)，到達污泥資源化的目的。然而，不同物理活化劑和化學(xué)活化劑之間在污泥熱解過程中存在不同的相互作用，探明活化劑之間的相互作用機理，對確定物理活化劑與化學(xué)活化劑的最優(yōu)組合很關(guān)鍵，有待進一步深入研究。污泥基活性炭的制備過程中，揮發(fā)一定的有毒有害氣體，需要研究其凈化方法，以防止二次污染的發(fā)生。參考文獻1 谷晉川， 文舉， 雍毅. 城市污水廠污泥處理與資源化M. 第一版， ： 化學(xué)工業(yè)， 2008.2 Burton F. L.， Stensel H. D.， et al. Wastewater Engineering Treatment and Reuse， 4th Edition M. New York. McGraw Hill Book pany， 2002.3 何品晶， 顧國維， 篤中等. 城市污泥處理與利用M. ： 科學(xué)， 2003.4 萬洪云. 利用活性污泥制造活性炭的研究.干旱環(huán)境監(jiān)測，2000，144： 202206.5 Fan * D， Zhang * K.