污泥粉煤灰混合制備活性炭及其性能研究*

張長飛 丁克強(qiáng) 李紅藝 劉廷鳳 李乾軍 張東平

（南京工程學(xué)院環(huán)境工程系)

0 前言

伴隨城市化進(jìn)程的加快，污水處理量高速增加，產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物污泥。污泥處理問題已成為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)及城市化過程中面臨的一個(gè)急需解決的重大難題。污泥資源化利用已成為污泥處理領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)[1-4]。

污泥中含有較多的碳，具備了制備活性炭的客觀條件。通過化學(xué)處理方法對(duì)污泥進(jìn)行相關(guān)的熱處理，就可充分利用污泥中的有機(jī)質(zhì)成分，將其轉(zhuǎn)化成含碳的多孔吸附材料。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)以污泥制備活性炭做了一些基礎(chǔ)性的研究[5-9]。

以污泥制備活性炭為污泥資源化利用找到了一條化害為利、變廢為寶的出路，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益同步增長。然而傳統(tǒng)的以污泥直接制備的活性炭其得率、碘吸附值、比表面積均難以和市場上的活性炭相媲美，這就使得污泥制備活性炭技術(shù)難以工業(yè)化應(yīng)用[10-12]。因此，提高污泥制備活性炭的理化性能，增強(qiáng)活性炭的吸附性，已成為以污泥制備活性炭研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

粉煤灰含有多孔玻璃體和多孔碳粒，具有較大的比表面積，同時(shí)還具有一定的活性基團(tuán)，具有較強(qiáng)的吸附性能。課題組將污泥和粉煤灰按照一定的比例混合通過化學(xué)活化法制備活性炭，并研究制備活性炭的最優(yōu)工藝參數(shù)，以期達(dá)到較為理想的活化效果，并對(duì)污泥活性炭的吸附性能進(jìn)行研究，為污泥活性炭用于染料廢水的處理提供了有用的工程參數(shù)。

1 材料及方法

1.1 材料及設(shè)備

污泥取自南京市江寧污水處理廠，粉煤灰取自華能金陵電廠，污泥和粉煤灰性質(zhì)如表1、表2所示。

表1 污泥的工業(yè)分析及熱值

表2 粉煤灰的理化性質(zhì)

主要設(shè)備：SX-4-10管式電阻爐、SSA-4200孔隙比表面分析儀、鼓風(fēng)干燥箱、分析天平、數(shù)顯溫控儀、加熱帶、微型注射泵、空壓機(jī)、氧氣分析儀、分光光度計(jì)、水浴恒溫振蕩器、坩堝等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將干化后的污泥與粉煤灰按照不同的配比混合均勻，以氯化鋅為活化劑制備活性炭，探討浸漬比、活化溫度、活化時(shí)間等參數(shù)對(duì)活性炭的吸附性能的影響。

（1）將污泥放入烘箱，在120℃溫度下完全烘干。然后將烘干的污泥放到球磨機(jī)上研磨2 h，取出研碎的干污泥，用200目篩子將干污泥篩出。經(jīng)過碾磨篩分得到的污泥為粉末狀。

（2）稱取一定量的活化劑放入坩堝，加50 mL去離子水，攪拌至完全溶解。

（3）稱取一定量的粉末狀污泥和粉煤灰，加入活化劑溶液并不斷攪拌，使污泥與活化劑溶液完全混合，浸泡24 h后放入120℃干燥箱中進(jìn)行干燥。

(4）將浸漬了活化劑的物料放入管式爐的玻璃管內(nèi)中心部位，旋緊橡皮塞。通入氮?dú)廒s走管內(nèi)空氣后打開管式爐，以10℃/min的升溫速率將污泥加熱至一定溫度，活化一段時(shí)間后停止加熱。然后繼續(xù)通入氮?dú)?，直至爐內(nèi)溫度低于100℃才停止通入氮?dú)?。溫度降至常溫后移出活化產(chǎn)物。

（5）將制得的活化料用蒸餾水反復(fù)沖洗，直至洗滌液pH值在6～7的范圍內(nèi)。然后在120℃干燥箱中干燥，稱取產(chǎn)物質(zhì)量確定其得率，放入樣品袋中保存。

（6）測定制備活性炭和商用活性炭對(duì)污水的吸附性能并進(jìn)行比較。

污泥粉煤灰制備活性炭工藝流程如圖1所示。

圖1 化學(xué)活化法制備活性炭工藝流程

1.3 測試方法

測試方法：吸附能力以碘吸附力來表征，采用Na2S2O3溶液滴定法測定；COD采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定（GB 11914—1989），活性炭比表面積和孔容積采用SSA-4200孔隙比表面分析儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥粉煤灰配比對(duì)活性炭吸附性能的影響

將干污泥與粉煤灰按照不同比例混合，再與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氯化鋅溶液按照一定配比混合制備活性炭，測定其碘值，有關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 粉煤灰對(duì)活性炭吸附能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉煤灰含量的增加，活性炭的吸附能力增強(qiáng)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，不摻入粉煤灰時(shí)活性炭碘吸附值為277.84 mg/g；當(dāng)干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為 10∶3∶3時(shí)， 碘吸附值為369.56 mg/g，與前者相比增加了33.01%。然而，再繼續(xù)增加粉煤灰含量時(shí)，活性炭碘吸附值增加不大。

2.2 浸值比對(duì)活性炭吸附性能的影響

將干污泥與粉煤灰按照10∶3比例混合，然后再加入不同量的氯化鋅，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下制備活性炭，測量活性炭的碘吸附值，見表4。

表4 活化劑對(duì)活性炭吸附能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著活化劑含量的增加，活性炭吸附能力也增強(qiáng)；當(dāng)干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為 10∶3∶4時(shí)， 碘吸附值為376.17 mg/g；再繼續(xù)增加活化劑含量時(shí)，活性炭碘吸附值增加不明顯。

2.3 活化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響

在干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為 10∶3∶4相同配比情況下，研究活化溫度對(duì)污泥粉煤灰活性炭吸附能力的影響，見表5。

表5 活化溫度對(duì)活性炭吸附能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為10∶3∶4、活化溫度為500℃時(shí)，活性炭碘吸附值最大為376.17 mg/g，隨著溫度增加，活性炭的吸附性能下降。隨著溫度的升高，氯化鋅活性炭結(jié)構(gòu)松弛解體，氯化鋅逐漸氣化、氧化，失去對(duì)炭結(jié)構(gòu)的保護(hù)機(jī)能，導(dǎo)致活性炭的吸附性能下降。

2.4 活化時(shí)間對(duì)活性炭吸附性能的影響

在干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為 10∶3∶4相同配比情況下，研究活化時(shí)間對(duì)污泥粉煤灰活性炭吸附能力的影響，見表6。

表6 活化時(shí)間對(duì)活性炭吸附能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為10∶3∶4、活化溫度為500℃時(shí)，隨著活化時(shí)間的增加，活性炭碘吸附值增加，活化時(shí)間為80 min時(shí)，活性炭碘吸附值為376.17 mg/g。但隨著活化時(shí)間的增加，活性炭吸附性能有所下降。這是因?yàn)椋S著反應(yīng)的進(jìn)行，活化程度逐漸加深，但當(dāng)活化時(shí)間超過一定值后，擴(kuò)孔程度逐漸加劇，部分微孔開始擴(kuò)展為中、大孔，造成活性炭的微孔孔容和比表面積下降。

2.5 污泥粉煤灰活性炭與商用活性炭吸附性能比較

在最佳的污泥粉煤灰工況下，即在干污泥∶粉煤灰∶氯化鋅的質(zhì)量比為10∶3∶4、 活化溫度為 500℃、活化時(shí)間為80 min的條件下，制備了污泥粉煤灰活性炭，并測量了其比表面積和孔容積。將人工配制的污水作為需要處理的物料，用以比較污泥粉煤灰活性炭和商用活性炭的吸附性能，有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 污泥粉煤灰活性炭與商用活性炭的比較

研究表明，污泥粉煤灰活性炭的比表面積和總孔容積分別為459.56 m2/g和0.32 mL/g，分別比污泥活性炭增加了44%和12.5%，污泥粉煤灰活性炭碘吸附值比單純的污泥活性炭碘吸附值增加了15.4%。然而，污泥粉煤灰活性炭的比表面積和碘吸附值只有商用活性炭的59%和48.2%。在對(duì)人工模擬廢水凈化實(shí)驗(yàn)中，污泥粉煤灰活性炭對(duì)SS和CODCr的去除率分別為70.89%和76.56%，分別比商用活性炭低27.81%和22.74%。

3 結(jié)論

本文以污泥、粉煤灰為原料，采用化學(xué)改性方法制備活性炭，研究了影響活性炭吸附性能的因素，得到以下結(jié)論。

（1）污泥粉煤灰混合制備活性炭，能夠顯著提高活性炭的吸附能力。在干污泥∶粉煤灰的質(zhì)量比為10∶3時(shí)，活性炭吸附效果最佳。

（2）制備活性炭的最佳工藝條件：污泥∶粉煤灰∶ZnCl2的質(zhì)量比為 10∶3∶4， 活化溫度為 500 ℃，活化時(shí)間為80 min。

（3）在最佳制備工藝條件下，活性炭的比表面積為459.56 m2/g，總孔容積為0.32 mL/g，碘值為376.17 mg/g，對(duì)模擬廢水具有良好的凈化效果。

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