污泥-秸秆活性炭推广可行性研究

秸秆-污泥制备活性炭推广可行性研究方案项目负责人：侯鹏飞、杨佳倩目录一、项目名称······························1.二、项目负责人····························1.三、项目背景······························1.四、项目意义······························1.五、原料及吸附剂性能分析··················2.六、制备技术及性能分析····················4.七、项目创新点及优势······················5.八、项目研究方向··························6.九、应用前景及市场分析····················7.十、参考文献······························8.1一、项目名称秸秆-污泥制备活性炭推广可行性研究二、项目负责人侯鹏飞、杨佳倩三、项目背景近年来随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，各种环境问题也日益尖锐，浙江杭州水源污染事件和江苏镇江水污染事件等的发生，虽然有其偶然性，但也是人们长期忽视而导致大量污染物排入水体造成的。随着人们环保意识的增强，我国的环保法律法规的不断完善，各种污染物的排放标准日益严格，要求我们对产生的污染物在排放前需要进行净化处理。吸附法是作为一种常用的污染物净化方法被广泛的使用，吸附剂是一种性能优良的多孔材料，以其比表面积高、孔隙发达，对多种污染物具有良好的吸附效果，被广泛应用于化工、环保等领域。四、项目意义市政污泥成分复杂，既含有可以用的有机成分也含有有毒有害的物质，如果处置不当，对生态环境和人类自身健康将造成很大的危害。随着我国城市化水平的不断加快，污水的处理规模和处理率不断提高，污泥的产量也随之不断的增大。如何实现经济有效的污泥减量化、稳定化、无害化和资源处理利用，对城市环境治理与社会经济的发展具有重要的现实意义。农业秸秆是产量很大的农业废弃物，农业秸秆的就地焚烧会造成严重的空气污染，如何对农业秸秆进行合理的处置，对环境保护也有着重要的意义。吸附剂是一种具有发达孔隙结构的含碳材料，但是常用的吸附剂原料成本高限制了吸附剂的使用范围。污泥作为一种多孔含碳废物，具备制备吸附剂的条件，通过秸秆这种高含碳量的废弃物，可以提高污泥的含碳量，从而提高所得吸附剂的吸附性能。通过以污泥和秸秆为原料制备吸附剂，不仅能使这两种废物实现资源化利用，而且还能降低吸附剂的制备成本。2目前我国环境治理领域，对废气和废水的净化提纯处理中，吸附剂的用量越来越大，通过污泥和秸秆制备的廉价吸附剂，可以实现吸附剂在环境治理中的大量应用，在解决污泥和秸秆处置问题的同时，还能减少吸附剂常用材料，如木炭、煤等的消耗，有利于生态的可持续发展。因此，使用市政污泥和秸秆制备吸附剂，具有广泛的社会和经济效益。五、原料及吸附剂的基本特性分析制备吸附剂的原料均为含碳物质，可以分为以下几类。（1）、植物类原料植物类的原料主要包括木材、椰壳、核桃壳、稻壳等，近年来对廉价原料制备吸附剂的研究越来越多，使得原料的范围不断扩增，例如椰壳、核桃壳、稻壳、咖啡豆梗、油棕壳、甘蔗渣、糠醛渣等，其中以椰子壳和核桃壳制备的吸附剂效果最优。特性：一般而言，果壳经碳化和水蒸气活化后，制备的吸附剂具有精细的微孔和较高的强度，主要用做防毒保护；树皮等经过碳化和气体火化后可得到廉价的吸附剂，用于造纸废水的脱色处理；用椰树皮纤维作为原料，通过化学活化法制备的吸附剂能够有效地去除工业废水中的有毒金属[1]；利用甘蔗渣作为原料可以制备价格低廉具有特定性能的吸附剂，用于污水处理和颜料吸附[2]。（2）、矿物类原料我国的煤炭资源十分丰富，以煤作为原材料制备的吸附剂产量最大，目前制备吸附剂的煤炭种类主要是部分烟煤、优质无烟煤和褐煤等。在煤炭开采和浮选过程中，常常伴有大量的低品质成分，如煤矸石、劣质煤等。利用这些废弃物制备吸附剂能够进一步降低吸附剂的制备成本。特性：无烟煤内部富含分子大小的孔隙，是制备微孔吸附剂的优质原料，而且制得的吸附剂还具备分子筛特性，因此利用无烟煤制备吸附剂日益受到重视[3,4]。（3）、塑料类原料塑料类原料主要包括聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸脂、酚醛树脂、聚四氯乙烯等。3特性：20世纪80年代，有人以有机树脂为原料合成了高纯度的吸附剂[5]，这种吸附剂的机械强度高于普通的煤质吸附剂，并且可以控制孔径的分布，广泛用于生物医学领域；利用粒状酚醛树脂为原料可以制造高性能的吸附剂，具有独特的微细孔，经过表面处理后，可用于电池电极材料、净水器、氮气发生装置用碳分子筛等方面。（4）、其他A、市政污泥随着经济的发展，我国市政污泥的产量越来越大，据统计，目前全国的污泥产量接近3000万t（含水率80%）[6]。污泥本身具有胶体特性，毛细孔隙发达，有一定的含碳量，经过活化和碳化后能转化为富含孔隙的多孔材料，具有一定的吸附性能。性能：根据国内外的研究可以得到，根据不同的制备条件，以污泥为原料制备吸附剂的吸附性能也不相同[7]。B、农业秸秆秸秆是我国的主要农业废弃物之一，我国每年的秸秆产量约为6.5×108t[8]，农业秸秆是一种高含碳量的废弃物，因此利用农业秸秆生产吸附剂研究已经成为各国科学家研究的热点。性能：虽然以农业秸秆可以制备具有较好吸附性能的吸附剂，但是制备的吸附剂存在密度低、易飘飞、难以贮存及成型等问题，也对其的发展有一定的限制。比较结论：虽然吸附剂的原料来源相当广泛，考虑到我国的林业资源和环境状况等问题，目前，越来越多的学者将吸附剂的原料聚集在秸秆、污泥等废弃物上。这些废弃物具有一定得含碳量，客观上具备制备吸附剂的条件，因此得到了大家的广泛关注。相比煤炭、木炭等常用的吸附剂制备原料而言，污泥具有成本低的优势，Bojner,G等[9]人通过研究表明污泥制备吸附剂的成本仅为普通吸附剂成本的1/10，因此污泥为原料制备吸附剂是一种很有前景的污泥资源化技术。另一方面通过采用这些废弃物制备吸附剂，可以减少废弃物的处理费用，实现资源化利用。4根据污泥和秸秆这两种废弃物自身的特点，将它们混合起来制备吸附剂，可能会解决它们单独为原料制备吸附剂中存在的问题，农业秸秆可以弥补污泥含碳量低的缺点，提高吸附剂的吸附性能，而污泥自身的黏性也可以使得秸秆碳化后具有更好的强度，易于成型。六、制备技术及性能分析目前，制备吸附剂的主要方法碳化法、物理活化法和化学活化法3种[7]。（1）、碳化法碳化法是指在缺氧的条件下，对原料进行加热处理，首先将原料中的水分蒸发出来，接着原料中的有机成分热分解，以甲烷、乙烷等低分子物质或焦油等高分子物质的形式挥发[10]。由于水分和热解气体的挥发，可以在原料的表面和内部形成大量的孔结构，最终形成富含碳元素的多孔吸附材料。性能：研究表明，采用碳化法制备的污泥吸附剂的BET表面积相对较低，最大的只有359㎡/g[11]。而且所得吸附剂的孔结构比较单一，也影响了吸附剂的吸附性能。（2）、物理活化法物理活化法（气体活化法）是指将原料碳化后，利用活化气体，如水蒸气、二氧化碳、空气（主要是O2）、烟道气等，在600～1200℃下对碳元素进行弱氧化作用，使得碳材料的孔径疏通，进而扩大、发展，形成活性碳特有的多孔微晶结构。物理活化法主要分为碳化和活化两个阶段：碳化是指在500℃下使污泥中的有机物挥发，提高污泥的含碳量[12]；活化则是利用活化气体的弱氧化作用，造成污泥内部的碳元素损失，以此来形成大量的孔结构[13]。性能：物理活化法制备的污泥吸附剂的BET表面积一般较低，而且灰分含量较大，部分吸附剂的灰分含量接近60%[14]。（3）、化学活化法化学活化法是将化学药剂按照一定的比例与原料进行混合，然后在惰性气体的介质中加热，同时进行碳化和活化的方法。通过化学药剂的腐蚀性，对原料中的碳元素进行刻蚀，使污泥中的H和O等元素以H2O、CH4等小分子的形式逸出，并且能够抑制副产物焦油的形成，提高吸附剂的产率。常用的化学药剂种类为强酸、强碱和盐类，如KOH、H2SO4、H3PO4、ZnCl2等。酸类活化剂的原理5一般是与含氧官能团进行，而碱类活化剂则是直接与碳原子进行反应[15,16]。性能：研究表明各种吸附剂作用下产生的活性炭性能有所不同，其中大量研究表明化学活化法在控制一定的条件下选用适当的吸附剂可以调节活性炭中的微孔、中孔的数量，从而实现不同的应用，提高活性炭的吸附效果。（4）、其他物理化学活化方法物理化学活化法是结合物理活化和化学活化两种常见的吸附剂制备工艺进行污泥吸附剂的生产。微波活化法微波活化法是通过微波加热的方式，使污泥进行热解碳化来制备吸附剂。与传统的活化工艺相比，微波活化法具有能量消耗低、污染少的特点，但是在活化的过程中需要在污泥中加入吸波物质，使得活化工艺更为复杂[17]。比较结论：通过对污泥制备吸附剂的国内外现状进行总结和分析，我们可以知道，目前对于市政污泥制备吸附剂还主要处于实验室研究阶段，并未进行工业化应用。对污泥制备吸附剂的几种方式进行比较可以发现，化学活化法是研究较多的活化工艺，化学活化法制备的污泥吸附剂的吸附效果要优于碳化法和物理活化法，而且化学活化法制备吸附剂需要的碳化温度较碳化法和物理活化法，消耗的能量小，化学药剂可以在碳化后进行回收，使得化学活化法的工艺成本更低，因此具有更好的应用前景。七、项目创新点及优势（1）、原料的创新市场出售的活性炭由于原料成本比较高因此价格也相对高，这样无形地影响了活性炭的广泛应用和污染物的标准化处理。本项目研究利用污泥和秸秆这两种来源广泛甚至难以有效处理的原料来制备活性炭，不仅节约了处理成本而且产物活性炭在当今社会处理水、空气等污染方面有很大的作用。（2）、相对成本低污泥-秸秆制备活性炭不仅在原料方面有很大的优越性而且制备活性炭在中温的条件下就可以达到很好的处理效果，因此制备成本也相对较低。污泥-秸6秆制备的活性炭虽然相对于市面上出售的活性炭比表面积没那么大，但基本可以满足大部分污染物处理对活性炭吸附性的要求，因此相对而言污泥-秸秆活性炭的成本是很低的。（3）、技术成熟污泥-秸秆制备活性炭的研究在国内外都是一个热点，虽然现在还很少有大范围的应用于市场的推广，但很多高校和研究部门已经取得了一定的科研成果，在此基础上对污泥-秸秆制备活性炭进行进一步的研究就很有希望实现大范围的市场推广。（4）、可以实现活性炭不同需求活性炭分为微孔、中孔、大孔不同种类，生活中对污染物的处理需要用到不同特性的活性炭。这样单一的一种工艺必然不能满足污染物处理的全部需求，而多条工艺又必然会造成一定的生产能力浪费。污泥-秸秆制备活性炭的化学方法，可以通过控制不同的制备条件从而实现对活性炭微孔、中孔以及大孔的控制，可以满足不同的活性炭特性需求。相比其他技术这样可以实现生产设备的最大化利用。（5）、环境效益环境话题是当今社会一个很热门的话题，不论是哪个国家都在不断加大对环境的治理和保护力度。而中国的环境问题也日益突出，对人们的生活健康造成了很大的影响，其中对各种废弃物、污染物的处理不当是很大一个原因，社会因为处理成本的高昂总不能严格按照标准来处理污染物。而污泥-秸秆活性炭的低成本、良好的吸附效果以及广泛的用途，可以满足社会对污染物处理的要求，从而间接的实现对环境的保护，创造不可估量的环境效益。（6）、社会效益随着人们生活水平的提高，中国梦的实现已不仅仅是对物质生活的需求，同时也在逐步增加生态文明的成分，人们越来越多的对自己生活的周边环境提出了更高的要求。创造一个良好的生活环境是建设和谐社会、实现中国梦的要求。污泥-秸秆活性炭以其独有的优势在污染物的处理和环境保护中必然可以发挥很大的作用，同时创造出巨大的社会效益。八、项目研究方向7（1）对原料进行工业分析和元素分析；确定污泥及玉米秸秆的含水率、可燃分及灰分的含量，并通过元素分析，测定污泥及玉米秸秆中C、H、O、N、S的含量。（2）最佳工艺条件的确定通过改变污泥和秸秆的混合比例进行实验对比，确定污泥