城市污水处理厂污泥制备活性炭的研究*

中国环境学会  2011年 03月31日

  李依丽,田婧,钱文娇  (北京工业大学 环境与能源工程学院,北京 100124)
   
  摘要:以城市污水厂污泥为原料,氯化锌为活化剂,采用化学活化法制备污泥活性炭,以 BET分析测试方法,表征所制备的活性炭品质。实验研究了活化温度、活化时间及活化剂浓度等因素对污泥活性炭的影响。通过正交实验及单因素分析,确定了最佳工艺参数。结果表明,采用浓度为3 mol/L的氯化锌为活化剂,活化时间30 min,活化温度450℃时制得的活性炭品质最佳,其BET为286.9 m2/g。
   
  关键词:污泥;活性炭;资源化
   
  Abstract: Sludge activated carbon was produced in the laboratory using wastewater sludge and zinc chloride was used as a sludge activation agent during the activation process. Its structure and adsorption ability was characterized by BET. The activation temperature, the activation time, and activation agent concentration were chosen as three impact factors. The optimal operating conditions were determined through orthogonal experiment. The results show that the optimal conditions are 3 mol/L ZnCl2-immersed sludge activated at 450℃ for 30 min. And the BET of the sludge activated carbon produced in the optional conditions was 286.9 m2/g.
   
  Key words: sludge; activated carbon; resource utilization
   
  城市污水处理过程中会产生大量污泥,污泥中除含有水分外,还含有难降解的有机物、重金属以及各种致病性微生物。如果处置不当,将会造成严重的二次污染[1]。目前,国内城市污水处理厂的污泥一般采用露天堆放、填埋、直接作肥料三种处理方法[2]。这些方法可以处置大量污泥,但其中也存在着诸多问题。污泥中的大量重金属氧化物,不但可以作为吸附剂,同时也是良好的催化剂;而且污泥中含有的有机物和腐殖质等是可再利用的物质。因此,通过一定的方法热解处理,能将污泥转化成含碳吸附剂[3],不但成本低,而且实现了污泥的资源化利用。国内外在利用污泥制备活性炭方面已作过一些研究 [4-13]。本实验以炭含量较高的二沉池剩余污泥为原料制备活性炭,探讨了化学活化法制备工艺条件对污泥活性炭性能的影响因素。
   
  1 实验部分


  1.1 实验材料
  污泥来自北京市高碑店污水处理厂,取自污泥房中经带式压滤机脱水的泥饼。高碑店污水处理厂是北京市最大的污水处理厂,也是目前我国最大的污水处理厂。一期和二期工程日处理污水均为50万立方米,采用传统活性污泥法二级处理工艺。污泥处理采用中温两级消化工艺,消化后经脱水的泥饼输送到污泥房进行机械脱水处理。
  污泥含水率、灰分测定分别依据GB 7702·1—1997和GB7702·15—1997。测定结果如表1所示。 
  项目来源:2010年北京市教委项目“污泥基酸性气态污染物联合脱除剂的研究”  
   
  表1   污泥性质
  Table  1    Characters of the sewage sludge

  含水率/%

挥发份(干基)/%

灰分(干基)/%

82.5

62.7

35.6


  1.2 污泥活性炭制备工艺流程
  污泥制备活性炭的工艺流程如图1所示。
  污泥经干燥、研磨、筛分后与一定浓度的氯化锌溶液混合,以氮气为保护气,采用一定的程序升温条件进行解热,热解产物经稀盐酸、蒸馏水漂洗后烘干即为成品活性炭。污泥碳化活化中产生的尾气用NaOH溶液吸收;活性炭洗涤过程中产生的废液回收利用。
   
  1.3 污泥活性炭评价指标
  采用比表面积和孔结构分析来评价所制备的活性炭品质。比表面积及孔结构的测定采用美国麦克仪器公司 Gemini V比表面积与孔径测定仪测定,比表面积的计算采用BET法,孔体积计算采用BJH法。
   
  2 结果与讨论


  2.1 污泥活性炭制备的最佳工艺条件
  选取活化剂氯化锌溶液浓度、活化温度及活化时间这三个影响因素,设计3因素3水平L9(33)正交实验, 由污泥制备出9组活性炭样品,制成的污泥活性炭通过其比表面积的测定来确定其最佳的工艺条件。3因素是:活化温度T、活化时间t和活化剂浓度c,3水平是:活化温度450℃、550℃、650℃;活化时间30、60、90min;活化剂浓度2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L,试验设计及结果见表2,污泥与活化剂的固液比为1:2.5。
  表2    污泥制活性炭正交试验设计和结果
  Table 2   Orthogonal experiment of sewage sludge for activated carbon

  序号

A

活化剂(mol/L

B

活化时间(min

C

活化温度(

BET

m2/g

1

2

30

450

259.5054

2

2

60

550

148.1145

3

2

90

650

68.0444

4

3

60

450

268.3438

5

3

90

550

145.1785

6

3

30

650

125.4767

7

4

90

450

106.6715

8

4

30

550

201.3155

9

4

60

650

106.6789

K1

475.66

634.52

586.30

 

K2

539.00

494.61

523.14

 

K3

414.67

300.20

319.89

 

R

41.44

111.44

88.80

 

  由表2可看出, > > , > > , > > ,可以得出活化剂浓度为3 mol/L,活化温度越低,活化时间越短,制备的活性炭的BET值最大。所以,理论上活化剂浓度3 mol/L、活化温度450 ℃且活化时间30 min下的污泥活性炭比表面积最大,效果最好。又由 > > 可知三个因素对污泥制作活性炭的影响大小为:活化温度>活化时间>活化剂剂浓度。
   
  2.1.1 活化温度的影响
  在活化剂浓度为3 mol/L,固液比为1∶2.5,活化时间为30 min条件下,研究了活化温度对产物BET值的影响,结果如图2所示。
  由图2可知,当活化温度低于450℃时,污泥活性炭的比表面积随着活化温度的升高而增加;在450℃时达到最大值286.9 m2/g。当温度高于450℃后,比表面积随着活化温度的升高反而下降。分析其原因,当温度低于450℃时污泥不能被充分活化,不能形成最佳的孔隙结构,因此比表面积较小。当温度超过450℃,使得ZnCl2蒸气压较高,活化剂有所损失,起实际作用的ZnCl2减少,使其活化不够充分。另外,污泥原料本身的含碳量有限,高温使原本就少的碳素有所损失,热解后露出了吸附性能差的灰份,使比表面积下降。适当的温度有利于提高活化剂的利用率,同时也利于污泥的活化,本研究所得最佳活化温度为450℃。
   
  2.1.2 活化时间的影响
  在活化温度450℃,固液比1∶2.5,活化剂浓度3 mol/L的条件下,研究活化时间对污泥活性炭比表面积的影响,结果如图3所示。  
  由图3可知,比表面积随着活化时间的增加而增加,在30 min时达到最大,30 min后,比表面积下降。结果表明,活化时间较短时,活化程度不充分,以开孔为主;当活化时间充足时,活化反应得以完全进行,开孔过程减少,扩孔程度增加,比表面积可达到最大;继续延长活化时间,微孔数目不再增加,部分微孔和中孔在扩孔过程中遭到破坏,转变为中孔或大孔,使得比表面积降低,比表面积下降。本研究所得最佳活化时间为30 min。
   
  2.1.3 ZnCl2浓度的影响
  在活化温度为450℃,固液比为1∶2.5,活化时间为30 min的条件下,研究了ZnCl2浓度对产物比表面积的影响,结果如图4所示。   
  由图4可知,比表面积随着ZnCl2浓度的增加逐渐增加,浓度为3 mol/L时达到最大,当浓度超过3 mol/L,比表面积有所下降。活化剂ZnCl2的主要作用是通过脱水、缩合和润涨等作用形成孔隙结构,使含碳化合物缩合成不挥发的缩聚碳,从而制备出孔隙结构发达的活性炭。ZnCl2浓度不同,制备出的活性炭孔隙结构不同。ZnCl2浓度高,脱水缩合作用大,产生活性炭的孔隙结构发达,吸附性能好。但浓度太高,会造成过渡活化,生成以大孔径过渡孔和大孔为主的活性炭,从而使吸附能力下降,本研究所得最佳ZnCl2浓度为3 mol/L。 
  通过正交试验和单因素影响的分析,确定污泥制备活性炭的最佳工艺条件为:浓度为3 mol/L的氯化锌溶液为活化剂、活化时间30min、活化温度450℃,制备出的活性炭比表面积为286.9 m2/g。与一些研究[14,15]相比,本实验制备的污泥活性炭比表面积较高,具有良好的吸附性能及应用前景。
   
  3结论


  (1)本实验采用化学活化法制备污泥活性炭,以氯化锌为活化剂。正交试验和单因素影响结果表明活化温度450℃,活化剂氯化锌浓度3 mol/L,活化时间30 min时为本实验污泥活性炭的最佳工艺条件。
  (2)本实验制备的污泥活性炭与国内一些研究相比,比表面积较高,具有良好的吸附性能。在最佳工艺条件下,制备的活性炭比表面积为286.9 m2/g。
  (3)通过污泥成分分析、污泥活性炭最佳工艺探讨、污泥活性炭比表面测定,以城市污泥为主要原料制备的活性炭具有较高的比表面积,具有良好的应用前景,对污泥资源化及综合利用有一定指导意义。
     
  参考文献
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