城市污水处理厂剩余污泥制备活性炭的研究

　第３４卷　第２期延安大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．２　　２０１５年６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｎ．２０１５ＤＯＩ：１０．１３８７６／Ｊ．ｃｎｋｉ．ｙｄｎｓｅ．２０１５．０２．０７０城市污水处理厂剩余污泥制备活性炭的研究姚志恒，刘　羽，牛志睿，张雅琪，符策伟，任俊禄（延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安７１６０００）摘　要：以污水处理厂剩余污泥为原料，以ＫＯＨ为活化剂采用化学活化法制备污泥活性炭。研究了碳化时间、碳化温度及活化剂浓度等条件对污泥活性炭碘吸附值和产率的影响。通过正交实验确定了污泥活性炭的最佳制备条件。结果表明，以碘吸附值作为主要评价指标，制备条件对污泥活性炭的碘吸附值影响大小的顺序为：炭化时间＞活化剂浓度＞炭化温度。制备污泥活性炭的最佳工艺组合为炭化温度４００℃，炭化时间４０ｍｉｎ，活化剂浓度为０３ｍｏｌ／Ｌ，污泥活性炭的碘值为３０８７ｍｇ／ｇ。关键词：污泥活性炭；碘吸附值；产率；化学活化法中图分类号：Ｘ７０３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４－６０２Ｘ（２０１５）０２－００７０－０３　　吸附法是环境保护领域常用的处理方法之一，其成功应用的关键是选择合适的吸附剂，目前应用最为广泛的活性炭吸附剂，原材料主要是煤和木材等含碳材料，成本较高，一些研究学者正致力于利用农林废物、纸浆废液、有机废弃物等含碳物质制造价格低廉的活性炭［１－４］。我国污水厂污泥中的有机物含量为５０％～６０％，随着生活水平的提高，污泥中有机物的含量还会不断增加，利用化学活化法使污泥高温热解制备活性炭，不仅能获得价廉的吸附材料，将污泥中可溶性重金属转化成难溶物固定在活性炭中，从而减少对环境的污染，还可以将污泥活性炭运用于污水处理、恶臭处理及有毒、有害物质处理［５－７］。本研究拟以污水处理厂剩余污泥为原料，利用化学活化法制备污泥活性炭，研究制备条件对其性能的影响，获取廉价吸附剂材料，实现一种符合循环经济理念的污泥处置方式。１　实验材料与方法１１　实验仪器ＳＸ－８－４０型箱式电阻炉（北京科伟永兴仪器有限公司）；ＡＬＢ－１２４型电子分析天平（赛多利斯科学仪器有限公司）；ＤＨＧ－９０７０Ａ型电热鼓风干燥箱（上海恒科仪器有限公司）；ＳＨＡ－Ｃ型恒温振荡器（常州国华电器）。１２　实验材料本实验以延安污水处理厂剩余污泥为原材料，该污水处理厂采用氧化沟工艺，测污泥含水率为８０％左右，将污泥取回后在阴凉通风处自然干燥一周，含水率可降至１０％左右。氢氧化钾、碘化钾、盐酸等试剂均为分析纯。１３　实验方法１３１　污泥活性炭的制备方法污泥干化后研磨过８０目筛，１０５℃烘８ｈ备用。以一定浓度的ＫＯＨ为活化剂，固液比１∶２５，２０℃恒温水浴活化２４ｈ后，在１０５℃下烘干１２ｈ。按照实验要求的碳化温度放入马弗炉内炭化一定时间，碳化结束后取出样品，冷却，取适量３ｍｏｌ／ＬＨＣｌ溶液，浸泡炭化后的污泥６０ｍｉｎ（中间适当搅拌），然后用７０℃蒸馏水洗涤至中性（ｐＨ＝６－７）。再将洗涤后的污泥置于烘箱中１０５℃干燥１２ｈ。将制得的收稿日期：２０１５０１１０基金项目：延安市科技局项目（２０１２ｋｇ－１１）；延安大学校级科研青年项目（ＹＤＱ２０１４－５２）；国家级大学生创新训练计划项目（２０１３１０７１９０１３）作者简介：姚志恒（１９９２—），男，陕西汉中人，延安大学石油工程与环境工程学院学生。　　　通讯作者活性炭研磨，过２００目筛备用。１３２　污泥活性炭碘值测定碘吸附值是评价活性炭性能的重要常规指标，可反应吸附剂中微孔含量，测定采用国家标准方法《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》（ＧＢ／Ｔ１２４９６８－１９９９）。２　实验结果及分析２１　单因素实验分析２１１　碳化温度对碘吸附效果的影响取活化剂ＫＯＨ的浓度为０５ｍｏｌ／Ｌ，分别在３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃下碳化６０ｍｉｎ，考察碳化温度对碘吸附值和污泥活性炭产率的影响。图１　碳化温度对碘吸附值和污泥产率的影响由图１可知，温度变化对碘值吸附量影响很大，温度过低，活化不够充分，活化属于原料表面含氧基团与碱性活化剂相互作用，大量的反应是活化剂本身羧基脱水形成活性中心的过程，导致制备的活性炭的吸附能力较低。继续升高温度（３５０～４５０℃）主要发生活化中间体与反应物料表面的含碳物种作用，引发纵向生孔过程，形成大量微孔，比表面积最大，吸附能力最强。进一步升温，发生微孔内的金属钾离子活化反应，形成大孔，吸附能力减弱。此外，对于污泥原料，其含碳量相对较低，高的活化温度使原本就少的碳素有所损失，暴露更多灰份，吸附能力下降［８，９］。后续选择碳化温度为４００℃进行实验。２１２　碳化时间对碘吸附效果的影响取活化剂ＫＯＨ的浓度为０５ｍｏｌ／Ｌ，碳化温度为４００℃，分别取碳化时间为２０ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、４０ｍｉｎ、５０ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、７０ｍｉｎ、８０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ。测定相应活性炭的碘吸附值和产率。由图２可见，随着活化时间的增加，碘吸附值呈现先增大后减小的趋势，碳化时间较短时，活化不够充分，吸附能力较低，５０～６０ｍｉｎ左右时，活化过程在碳层间形成大量微孔，使整体具有较大的比表面积，吸附能力最高。随着时间的加长，开孔过程逐渐减弱，部分微孔扩展为中孔和大孔，整体比表面积下降，进行影响碘吸附值。后续实验碳化时间取６０ｍｉｎ。图２　碳化时间对碘吸附值和污泥产率的影响２１３　活化剂浓度的影响取碳化温度为４００℃，碳化时间为６０ｍｉｎ，分别取活化剂浓度为０１ｍｏｌ／Ｌ、０３ｍｏｌ／Ｌ、０５ｍｏｌ／Ｌ，０８ｍｏｌ／Ｌ，１ｍｏｌ／Ｌ的氢氧化钾，测得的活性炭的碘吸附值和产率如图３。图３　活化剂浓度对碘吸附值和污泥产率的影响如图３所示，活化产物对碘的吸附能力随氢氧化钾浓度的增大呈现先增大后减小的趋势，０５ｍｏｌ／Ｌ～０８ｍｏｌ／Ｌ时最大。这是因为化学活化法的本质是通过加入活化剂产生脱水、缩合、润涨等作用形成孔隙，含碳化合物缩合成不挥发的缩聚碳，产生多孔结构发达的活性炭。因此，活化剂浓度越高，脱水缩合作用越大，产生的空隙结构发达，比表面积大，吸附性能好［１０，１１］。但ＫＯＨ浓度太高，洗涤时去除不彻底易使其吸附能力下降，因此最佳活化剂浓度选择０５ｍｏｌ／Ｌ左右。２２　正交实验分析本研究采用三因素三水平的正交实验Ｌ９（３３），进一步考察炭化温度（Ａ）、炭化时间（Ｂ）、活化剂浓度（Ｃ）三个因素对污泥活性炭碘吸附值和产率的影响，从而确定污泥活性炭制备过程中的主要影响因素和最佳制备条件。正交实验因素水平列于表１１７　　第２期　　　　　　　　　　　　　　　城市污水处理厂剩余污泥制备活性炭的研究中，实验结果及极差分析见表２。表１　污泥制备活性炭正交实验因素水平表因　　素Ａ炭化温度（℃）Ｂ炭化时间（ｍｉｎ）Ｃ活化剂浓度（ｍｏｌ／Ｌ）１３５０４００３２４００５００５３４５０６００８表２　污泥制备活性炭的正交实验结果实验序号炭化温度（℃）炭化时间（ｍｉｎ）活化剂浓度（ｍｏｌ／Ｌ）碘吸附值（ｍｇ／ｇ）产率（％）１３５０４００．３２７４．９４６．１２３５０５００．５２６１．４４２．６３３５０６００．８２６８．２４３．３４４００４００．５２７４３９．８５４００５００．８２５９３５．８６４００６００．３２８２３７．７７４５０４００．８２８７３８．５８４５０５００．３２６２．４３４．８９４５０６００．５２５２３４．１Ｋ１２６８．２２７８．６２７３．１Ｋ２２７１．７２６０．９２６２．５Ｋ３２６７．１２６７．４２７１．４Ｒｉ４．６１７．７１０．６Ｋ１′４４３９．５３９．５Ｋ２′３７．８３７．７３８．８Ｋ３′３５．８３８．４３９．２Ｒｉ′８．２１．８０．７　　注：Ｋｉ代表以碘吸附值作为控制指标的不同水平的平均值，对应的Ｒｉ表示不同水平的极差。Ｋｉ′代表以产率作为控制指标的不同水平的平均值；对应的Ｒｉ′表示不同水平的极差。从表２中的Ｒｉ值结果可得到制备条件对污泥活性炭的碘吸附值影响大小顺序为：炭化时间（Ｂ）＞活化剂浓度（Ｃ）＞炭化温度（Ａ），三个因素中碳化时间对碘吸附值的影响最大。Ｒｉ′值结果可得到制备条件对污泥活性炭的产率影响大小的顺序为：炭化温度（Ａ）＞炭化时间（Ｂ）＞活化剂浓度（Ｃ），三个因素中碳化温度对产率的影响最大。最终以表征活性炭吸附性能的碘吸附值为主要参考标准，比较得出污泥活性炭制备的最优条件Ａ２Ｂ１Ｃ１，即炭化温度４００℃，炭化时间４０ｍｉｎ，活化浓度０３ｍｏｌ／Ｌ，在此条件下制备了一组污泥活性炭，其碘值为３０８７ｍｇ／ｇ。３　结论（１）以延安市污水处理厂剩余污泥为原料，采用ＫＯＨ作为活化剂，通过单因素实验研究制备污泥活性炭的碳化温度、碳化时间和活化剂浓度对碘吸附值和污泥产率的影响。（２）正交实验结果显示选择的因素对污泥活性炭碘吸附值的影响顺序为：炭化时间＞活化剂浓度＞炭化温度，得出污泥活性炭的最佳制备工艺：炭化温度４００℃，炭化时间４０ｍｉｎ，活化剂浓度为０３ｍｏｌ／Ｌ，在此条件下，制备的污泥活性炭的碘值为３０８７ｍｇ／ｇ。参考文献：［１］赵晶晶污泥活性炭的制备及其应用研究［Ｄ］广州：华南理工大学硕士论文，２０１３［２］叶子瑞国内外污泥处置和管理现状［Ｊ］环境卫生工程，２００２，１０（２）：８５－８９［３］中国环境保护产业协会水污染治理委员会编中国城市污水污泥处理处置问题探讨［Ｃ］北京：中国国际水处理高级专家论坛，２００５：１４２－１４６［４］牛志睿，黄学敏吸附ＳＯ２饱和活性炭纤维的微波解吸性能研究［Ｊ］延安大学学报（自然科学版），２００８，２７（２）：５９－６６［５］王亚非，田豫川，刘越，等利用城市污水厂剩余污泥制备生物炭吸附镉［Ｊ］四川环境，２０１２，３１（５）：１２－１５［６］李利平污泥活性炭的优化制备及其应用初探［Ｄ］北京：北京工业大学硕士论文，２０１３［７］张永涛，张增强，孙西宁添加锯末对污泥堆肥腐熟的影响研究［Ｊ］延安大学学报（自然科学版），２００９，２８（２）：８５－９１［８］张君，谷晋川，张蔓磷酸活化法制备污泥含碳吸附材料的研究［Ｊ］化工科技，２００９，１７（４）：５－８［９］邵瑞华，房平，司全印污水处理厂污泥制备活性炭的研究［Ｊ］安徽农业科学，２０１０，３８（３１）：１７６３２－１７６３５［１０］尹炳奎污泥活性炭吸附剂材料的制备及其在废水处理中的应用［Ｄ］上海交通大学硕士学位论文，２００７［１１］吴娟城市污水处理厂污泥制备活性炭的研究［Ｄ］济南：山东大学硕士论文，２００６［责任编辑　李晓霞］（下转第８４页）２７数值体现扭转端头约束程度的实验装置，进一步明确断面位置。参考文献：［１］张强，马玉龙，谢福航，等拉伸扭转组合作用下低碳钢力学性能［Ｊ］江苏建材，２０１４，（２）：２２－２３［２］张憬，马文江，尚新春材料力学扭转实验的扩展与探讨［Ｊ］实验技术与管理，２０１４，７（３１）：２０９－２１１［３］曹新明，黄质宏，蔡长安，等等直圆杆自由扭转应力分析［Ｊ］贵州工业大学学报（自然科学版），２００７，１（３７）：８２－８９［４］王军，马庆捷构件弹塑性扭转的应力分析［Ｊ］吉林化工学院学报，２００４，２（２１）：８５－８７［５］袁海庆材料力学（第２版）［Ｍ］武汉：武汉理工大学出版社，２００４：３０－３６［６］张田田，侯晓霞，陈德谦对构件断口的分析［Ｊ］科技传播，２０１４，（１１）：８８－８９［７］邹广平，沈志强，李昊，等建筑用钢筋预扭强化技术研究［Ｊ］应用科技，２００９，６（３６）：６３－６５［８］冯晓九，游文明，杜晋拉压实验与纯扭转实验的互补特性［Ｊ］扬州职业大学学报，２０１３，３（１７）：２１－２４［责任编辑　贺小林］ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬｏｗＣａｒｂｏｎＳｔｅｅｌＴｏｒｓｉｏｎＦａｉ