污泥粉煤灰制備活性炭的方法及活性炭吸附性能研究

尚建疆

摘要：炭化法、物理活化法、化學(xué)活化法、物理化學(xué)活化法以及微波活化法等是活性炭制備過(guò)程中較常采用的幾種方法，基于對(duì)各種方法優(yōu)缺點(diǎn)與適用方向的比較，文章采用化學(xué)活化法，以污泥與粉煤灰為材料進(jìn)行活性炭的制備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，活性炭制備的最佳工藝條件應(yīng)為粉煤灰、干污泥與ZnCl2質(zhì)量比3：10：3，活化時(shí)間80min以及活化溫度500℃最后，出于進(jìn)一步節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境的目的，文章分析了活性炭的再生問(wèn)題，指出超聲波、催化濕式氧化、超臨界流體等再生法是人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)活性炭再生技術(shù)進(jìn)行探索的重要方向.

關(guān)鍵詞：污泥;粉煤灰材料;活性炭;碘吸附值

中圖分類號(hào)：X703;0647.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）09-0061-05

污泥是污水處理廠在對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)形成的二次產(chǎn)物，污水廠每天都會(huì)產(chǎn)生很多污泥，若處理不當(dāng)，會(huì)造成二次污染，在一定程度上危害周圍環(huán)境。填埋、農(nóng)用、焚燒、低溫?zé)峤?、高溫堆肥、制作環(huán)保材料與吸附劑等是污泥的常規(guī)處理方法，但是，這些方法存在一定的局限性，進(jìn)行處置污泥新方法以及資源化綜合利用新途徑的探尋，在污泥處置問(wèn)題的解決方面意義重大。

污泥中碳質(zhì)有機(jī)物豐富，是制造活性炭所需的原料成分，以污泥為原料進(jìn)行活性炭的制備，可在節(jié)省煤與木材等珍貴資源的同時(shí)，解決污泥處置這一環(huán)境難題，以廢治廢，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化。粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率與比表面積大，作為水處理吸附材料有明顯優(yōu)勢(shì)。為優(yōu)化傳統(tǒng)僅以污泥為原料制備的活性炭的吸附性能，文章以粉煤灰為切人點(diǎn)，適當(dāng)混合污泥與粉煤灰，采用化學(xué)活化法進(jìn)行污泥粉煤灰活性炭的制備，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究活性炭的吸附性能，明確制備的最佳工藝參數(shù)，提供有效的工程參數(shù)參考于此類活性炭在染料廢水處理中的應(yīng)用。

1活性炭的制備方法與選擇

在進(jìn)行活性炭制備之時(shí)，可采用的方法比較多，主要包括炭化法、物理活化法、化學(xué)活化法、物理化學(xué)活化法以及微波活化法等，通常涉及高溫?zé)峤猓ㄌ炕┡c活化兩個(gè)過(guò)程，其中，炭化即將原料熱解為碳渣，活化則是結(jié)合各種要求將炭化物變?yōu)樗枰亩嗫孜镔|(zhì)。

1.1活性炭的主要制備方法

1.1.1炭化法

以對(duì)空氣的隔絕為前提，在高溫狀態(tài)下執(zhí)行對(duì)原材料的分解處理，達(dá)到將原材料中所含CO、CO2、H2與水蒸氣等成分的析出目的，使其成為由微晶體（微晶大小取決于原材料成分、結(jié)構(gòu)及碳化溫度）組成的碎片，然后，對(duì)這些碎片進(jìn)行重新整合，得到穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)。采用炭化法制得的活性炭吸附劑比表面積比較小，且孔結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，會(huì)對(duì)其吸附性能產(chǎn)生影響。

1.1.2物理活化法

利用合適的氧性化氣體，將它們的氧化作用發(fā)揮出來(lái)，使原材料中所含的部分有機(jī)質(zhì)在這些氣體的作用下燃燒，并在燃燒過(guò)程中于自身內(nèi)部形成新孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)原孔的擴(kuò)大處理，最終得到更加發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。就污泥而言，非多孔物質(zhì)是它的主要無(wú)機(jī)組成內(nèi)容，在采用物理活化法，經(jīng)水蒸氣、二氧化碳或空氣等氧性化氣體將碳燃燒掉之后，得到的活性炭比表面積亦不大。

1.1.3化學(xué)活化法

一些化學(xué)藥劑（如NaOH、H2SO4等）含有較強(qiáng)的腐蝕性，以此為突破口，可將這些藥劑作為材料，用以刻蝕原料中所含有的有機(jī)物質(zhì)，讓它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中生成水蒸氣以及小分子的碳?xì)浠衔?，并進(jìn)一步與原料相分離，最終獲得不含這些成分的，具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的碳微晶。

1.1.4物理化學(xué)活化法

即在物理活化之前先采用合適的化學(xué)藥劑對(duì)原料進(jìn)行浸漬處理，這一過(guò)程需要嚴(yán)格把握浸漬比與浸漬時(shí)間等各項(xiàng)條件，以達(dá)到獲取孔徑分布合理的活性炭材料的目的。這類活性炭材料比表面積大、中孔多，對(duì)于液相中的大分子物質(zhì)有較強(qiáng)的吸附能力，適用性更加突出。采用物理化學(xué)活化法進(jìn)行活性炭制備的過(guò)程中，可以將一些特殊的官能團(tuán)添加在活性炭的表面，這有利于活性炭吸附能力的增強(qiáng)，對(duì)特定的污染物有更好的吸附性能。

1.1.5微波活化法

亦即采用微波加熱的方式執(zhí)行對(duì)原料的熱解與炭化處理，在相應(yīng)的反應(yīng)之下獲取活性炭吸附劑。與傳統(tǒng)的活化方法相比，這種方法優(yōu)勢(shì)更加明顯，主要體現(xiàn)在活性炭制備效率高、能量消耗少、成本低、環(huán)保性能佳等方面。

1.2主要制備方法比較與選擇

主要制備方法比較與選擇如表1所示。

從表1所示，通過(guò)活性炭幾種制備方法的比較。相較而言，學(xué)者對(duì)化學(xué)活化法展開(kāi)的研究比較多，制得的活性炭較之炭化法與物理活化法制得的活性炭有更好的吸附效果，結(jié)合對(duì)技術(shù)使用成熟度的考慮，文章的實(shí)驗(yàn)分析部分亦采用化學(xué)活化法。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)材料

污泥與粉煤灰分別取自某市污水處理廠與電廠，如表2所示，為實(shí)驗(yàn)所用的兩種材料性質(zhì)。

2.2活性炭制備工藝流程

采用化學(xué)活化法制備活性炭，主要按預(yù)處理、熱解、活化、后續(xù)處理的流程進(jìn)行，其中，熱解與活化最為重要。制備活性炭之時(shí)，在一定比例的污泥與粉煤灰中添加活化劑浸漬活化處理，同時(shí)執(zhí)行炭化與活化任務(wù)。

具體而言，采用化學(xué)活化法制備活性炭需完成以下工作：①在烘箱中以110%的溫度干燥污泥，將其含水率降低到10%以下，然后對(duì)其進(jìn)行研磨與過(guò)篩處理，保留粒徑范圍低于100目的污泥顆粒;②按照一定的比例將污泥與粉煤灰混合均勻，之后與一定濃度的活化劑混合，在常溫下浸漬24h，干燥到重量不再變化的狀態(tài);③將處理后的原材料放入燃燒舟中，然后放置到管式爐內(nèi)，在升溫之前，先以較大的氮?dú)饬髁肯驙t內(nèi)通氮?dú)猓〞r(shí)間為30min），達(dá)到將空氣排出的目的，然后，調(diào)小氮?dú)饬髁恐?00mL/min的水平，按照10°C/min的升溫速率升溫，在設(shè)定的溫度下保持一定的時(shí)間，之后冷卻，繼續(xù)通人氮?dú)?，直到爐內(nèi)的溫度降低到室溫水平，取出活性炭樣品;用1mol/L的鹽酸與70-80%的蒸餾水對(duì)熱解之后的活性炭進(jìn)行洗滌，干燥處理，得到以污泥與粉煤灰為原料的活性炭?；钚蕴恐苽涔に嚵鞒倘鐖D1所示。

2.3測(cè)試方法

用碘吸附能力表示制得活性炭的吸附能力，測(cè)定過(guò)程采用Na2S2O3溶液滴定方法。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1粉煤灰與污泥的最佳比例

保持干污泥與ZnCl2溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）的質(zhì)量比（10：3）、活化溫度（500%）以及活化時(shí)間（80min）各項(xiàng)因素不變，僅改變粉煤灰的質(zhì)量，使其以不同比例與干污泥混合，對(duì)制得的活性炭吸附碘的能力進(jìn)行測(cè)量，得到不同粉煤灰與干污泥比例下活性炭碘吸附值如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，活性炭對(duì)碘的吸附能力隨著粉煤灰與干污泥比例的上升（亦即粉煤灰的添加量）而增強(qiáng)。不摻人粉煤灰時(shí)，活性炭的碘吸附值為277.93mg/g，逐步增加粉煤灰的添加量，在其與干污泥的質(zhì)量比達(dá)到3：10之前，制得活性炭的碘吸附值均呈大幅度上升之勢(shì)，而在到達(dá)3：10的質(zhì)量比之后，進(jìn)一步增加粉煤灰的添加量，活性炭碘吸附值上升得不再明顯。出于既保證活性炭的吸附能力，又對(duì)資源浪費(fèi)現(xiàn)象予以避免的目的，粉煤灰與干污泥的最佳比例應(yīng)為3：10。

2.4.2ZnCl2與污泥的最佳比例

按3：10的比例對(duì)粉煤灰與干污泥進(jìn)行混合，之后加入不同量的ZnCl2，保持活化溫度（500%）與活化時(shí)間（80min）不變，對(duì)制得的活性炭吸附碘的能力進(jìn)行測(cè)量，得到如圖3所示結(jié)果。

根據(jù)圖3可知，活性炭對(duì)碘的吸附能力亦隨著ZnCh與干污泥比例的上升（亦即ZnCl2的添加量）而增強(qiáng)。不摻人ZnCl2時(shí)，活性炭的碘吸附值為270.05mg/g，逐步增加粉煤灰的添加量，在其與干污泥的質(zhì)量比達(dá)到3：10之前，制得活性炭的碘吸附值均呈大幅度上升之勢(shì)，而在到達(dá)3：10的質(zhì)量比之后，進(jìn)一步增加ZnCh的添加量，活性炭碘吸附值上升得不再明顯。同樣出于既保證活性炭的吸附能力，又對(duì)資源浪費(fèi)現(xiàn)象予以避免的目的，ZnCl2與干污泥的最佳比例也應(yīng)為3：10。由此，粉煤灰、干污泥與ZnCl2的最佳比例為3：10：3。

2.4.3最佳活化時(shí)間

保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例為3：10：3以及活化溫度（500%）不變，改變活化時(shí)間，對(duì)制得的活性炭吸附碘的能力進(jìn)行測(cè)量，得到如圖4所示結(jié)果。

根據(jù)圖4可知，活性炭對(duì)碘的吸附能力隨著活化時(shí)間的增加先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)活化時(shí)間為80min時(shí)，活性炭碘吸附值達(dá)到最大值375.87mg/g，若時(shí)間進(jìn)一步增加，活性炭的吸附性能不升反降。究其原因，在于活化程度會(huì)隨反應(yīng)的進(jìn)行而不斷加深，如果超過(guò)一定的時(shí)間值，擴(kuò)孔程度會(huì)越來(lái)越明顯，一些微孔擴(kuò)展為中孔或大孔，這會(huì)降低活性炭微孔孔容與比表面積，進(jìn)而削弱活性炭的吸附能力。由此，最佳活化時(shí)間為80min。

2.4.4最佳活化溫度

保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例為3：10：3以及活化時(shí)間（80min）不變，改變活化溫度，對(duì)制得的活性炭吸附碘的能力進(jìn)行測(cè)量，得到如圖5所示結(jié)果。

根據(jù)圖5可知，活性炭對(duì)碘的吸附能力隨著活化溫度的上升先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)活化溫度達(dá)到500%時(shí)，活性炭碘吸附值達(dá)到最大值375.87mg/g，若溫度進(jìn)一步升高，活性炭的吸附性能不升反降。究其原因，在于在溫度到達(dá)某一水平（500%）仍不斷升高之時(shí)，ZnCh會(huì)逐漸氣化與氧化，對(duì)炭結(jié)構(gòu)的保護(hù)機(jī)能逐漸降低，造成活性炭吸附性能的減弱。由此，最佳活化溫度為500%。

3活性炭的再生

在活性炭的吸附功能完全發(fā)揮出來(lái)，亦即達(dá)到吸附飽和的程度之后，如果將其隨意地廢棄，還會(huì)造成資源的浪費(fèi)，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)二次污染，因此需對(duì)其再生問(wèn)題進(jìn)行考慮。所謂活性炭再生，指以不破壞活性炭原有結(jié)構(gòu)為前提，采用物理或者化學(xué)方法將在活性炭微孔處吸附的那些物質(zhì)除去，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理再次賦予活性炭吸附性能，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用?；钚蕴吭偕饕譃閮煞N類型：①吸附質(zhì)脫附;②吸附質(zhì)分解。前者指將活性炭所處的環(huán)境改變，令其達(dá)到吸附質(zhì)容易與活性炭相脫離的狀態(tài)，這一條件可通過(guò)降低壓力或濃度、升溫以及使用化學(xué)藥品來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在利用活性炭處理污水之后，活性炭會(huì)對(duì)很多大分子量、高沸點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)行吸附，它們并不容易通過(guò)第一種方法與活性炭相分離，達(dá)到活性炭再生的目的。所以，活性炭再生常采用第二種方法，亦即吸附質(zhì)分解方法?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為普遍的活性炭再生方法主要有熱再生法、化學(xué)再生法以及生物再生法幾種，但這些方法有一定的局限性：活性炭在再生過(guò)程中有較大的損失;再生之后的活性炭吸附能力大幅度減弱;機(jī)械強(qiáng)度不復(fù)之前;再生環(huán)節(jié)會(huì)有廢氣的產(chǎn)生，這會(huì)污染空氣。出于對(duì)這些問(wèn)題的考慮，人們長(zhǎng)期進(jìn)行著超聲波再生法、催化濕式氧化再生法、超臨界流體再生法等新的、經(jīng)濟(jì)效率更高的活性炭再生技術(shù)的探索。

4結(jié)語(yǔ)

文章中以污泥與粉煤灰為原料，采用化學(xué)活化方法進(jìn)行活性炭的制備，并分析了對(duì)活性炭吸附性能產(chǎn)生影響的各項(xiàng)因素。在用污泥制備活性炭的過(guò)程中，適當(dāng)添加粉煤灰，可提高制得活性炭的吸附能力，所添加的粉煤灰質(zhì)量與干污泥質(zhì)量的最佳比例為3：10。另外，為了達(dá)到最優(yōu)的污泥粉煤灰活性炭性能，應(yīng)保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例3：10：3，活化時(shí)間80min以及活化溫度5000°C的藝條件。而為了達(dá)到進(jìn)一步節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境的目的，活性炭吸附飽和之后還需采用超聲波、催化濕式氧化等方法進(jìn)行活性炭再生處理。