公布日：2023.03.28
申請日：2022.11.10
分類號：B01J20/20(2006.01)I;C01B32/324(2017.01)I;C01B32/354(2017.01)I;C09K17/04(2006.01)I;C09K17/02(2006.01)I;B01J20/30(2006.01)I;C10B53/00(2006.01)I;
B01D53/02(2006.01)I;C02F1/28(2023.01)I
摘要
本發明公開了一種改性污泥活性炭及其制備方法和應用，包括如下原料組分：污泥顆粒、增炭劑和粘結劑；各原料混合后，經炭化處理得到炭化料，炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為600℃～800℃，炭化升溫溫度為3～10℃/min，炭化時間為0.5～3h；再將炭化料與氧化石墨烯以質量比為1：(0.01-0.1)的比例混合均勻，經離心固液分離，并將固體產物烘干，制得改性污泥活性炭。其比表面積較大，存在大量的中、微孔，材料吸附性能較好，用于VOCs的吸附，拓展了生物炭材料的應用范圍，而且起到了污泥資源化的作用，達到了以廢治廢的目的，材料成本低廉、市場競爭力強。
權利要求書
1.一種改性污泥活性炭，其特征在于，包括如下原料組分：污泥顆粒、增炭劑和粘結劑；各原料混合后，經炭化處理得到炭化料，炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為600℃～800℃，炭化升溫溫度為3～10℃/min，炭化時間為0.5～3h；再將炭化料與氧化石墨烯以質量比為1：(0.01-0.1)的比例混合均勻，經離心固液分離，并將固體產物烘干，制得改性污泥活性炭。
2.根據權利要求1所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述污泥顆粒、增炭劑和粘結劑的質量比為(80～100)：(20～40)：(5～20)。
3.根據權利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述污泥顆粒為市政污泥、工業污泥、含油污泥中的一種或多種。
4.根據權利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述增炭劑為木粉、稻殼粉、椰殼粉、玉米秸稈粉、藤粉、樹皮、花生殼粉中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述粘結劑為高溫煤焦油、煤瀝青、凹凸棒土、鋁溶膠、聚乙二醇、聚乙烯醇、CMC、改性淀粉、酚醛樹脂、木焦油中的一種或多種。
6.根據權利要求1所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述氧化石墨烯的質量濃度為19～46.44％。
7.一種如權利要求1-6中任一項所述的改性污泥活性炭的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、將污泥經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到污泥顆粒；S2、將污泥顆粒與增炭劑以配方量比例進行攪拌混合，再向其中加入配方量的粘結劑繼續攪拌混合，得到混合物料；S3、將混合物料進行造粒成型，并經陳化烘干處理得到活性炭原胚料；S4、將活性炭原胚料在惰性氣體環境下進行炭化處理得到炭化料；S5、將炭化料與氧化石墨烯以配方量比例攪拌混合，再經離心固液分離，并將固體產物烘干，制得改性污泥活性炭。
8.一種如權利要求1-6中任一項所述的改性污泥活性炭的應用，其特征在于，所述改性污泥活性炭用于脫硫脫硝、VOCs氣體吸附、污水中重金屬離子吸附、土壤治理領域。
9.根據權利要求8所述的改性污泥活性炭的應用，其特征在于，所述改性污泥活性炭用于甲苯氣體吸附領域。
發明內容
為了解決現有技術中污泥活性炭的孔隙較差，吸附量較小的問題，本發明提供一種改性污泥活性炭，其比表面積較大，存在大量的中、微孔，材料吸附性能較好，用于VOCs的吸附，拓展了生物炭材料的應用范圍，而且起到了污泥資源化的作用，達到了以廢治廢的目的，材料成本低廉、市場競爭力強。此外，本發明還提供一種上述改性污泥活性炭的制備方法和應用。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
本發明的第一方面，提供一種改性污泥活性炭，包括如下原料組分：污泥顆粒、增炭劑和粘結劑；
各原料混合后，經炭化處理得到炭化料，炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為600℃～800℃，炭化升溫溫度為3～10℃/min，炭化時間為0.5～3h；
再將炭化料與氧化石墨烯以質量比為1：(0.01-0.1)的比例混合均勻，經離心固液分離，并將固體產物烘干，制得改性污泥活性炭。
采用上述技術方案：
本申請中以污泥作為主要原料，將污泥變廢為寶，符合污泥的無害化、減量化處理要求，為污泥資源化提供了新的途徑；首先，向污泥中加入增炭劑，可以有效彌補污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷；其次，控制各原料配比，將混合物進行炭化處理，在炭化處理過程中，合理控制炭化溫度、炭化時間和升溫速率有利于材料進行熱解縮聚反應，在無氧高溫條件下材料中的揮發分分解逸出，形成復雜多孔的孔隙結構，有利于提高炭材料的吸附性能，并防止炭坯產生裂紋；最后，再引入氧化石墨烯對炭化料進行改性，氧化石墨烯具有獨特的二維結構，比表面積可達2600m2/g，具有大量的官能團，其與炭化料都具有很強的吸附能力，兩者以特定配比混合，氧化石墨烯的存在可以調節炭化料的孔隙結構，獲得更有利的微孔，最終制得的材料具有較大的比表面積，并大幅度提高了材料整體的吸附能力。
具體地，所述污泥顆粒、增炭劑和粘結劑的質量比為(80～100)：(20～40)：(5～20)。
具體地，所述污泥顆粒為非危廢類污泥，可選用市政污泥、工業污泥、含油污泥中的一種或多種。
污泥顆粒的制備過程如下：將經過預處理的污泥經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩處理，得到污泥顆粒。優選地，污泥顆粒的含水量為2～10wt％，粒徑為80～200目。通過對污泥預先進行干燥處理，有助于后續污泥顆粒與增炭劑混合均勻。
污泥的預處理方式為好氧發酵、厭氧發酵、低溫帶式干化、熱干化中的一種或多種。
具體地，所述增炭劑為木粉、稻殼粉、椰殼粉、玉米秸稈粉、藤粉、樹皮、花生殼粉中的一種或多種。
增碳劑在使用時，預先經干燥脫水處理，再經粉碎、過篩。
由于污泥中的含碳量較低，因此本申請中在配方中加入C含量較高的生物質材料作為增炭劑，可以有效彌補污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷。
具體地，所述粘結劑為高溫煤焦油、煤瀝青、凹凸棒土、鋁溶膠、聚乙二醇、聚乙烯醇、CMC(羧甲基纖維素)、改性淀粉、酚醛樹脂、木焦油中的一種或多種。
具體地，所述氧化石墨烯的質量濃度為19～46.44％。
本發明的第二方面，提供一種上述改性污泥活性炭的制備方法，包括如下步驟：
S1、將污泥經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到污泥顆粒；
S2、將污泥顆粒與增炭劑以配方量比例進行攪拌混合，再向其中加入配方量的粘結劑繼續攪拌混合，得到混合物料；
S3、將混合物料進行造粒成型，并經陳化烘干處理得到活性炭原胚料；
S4、將活性炭原胚料在惰性氣體環境下進行炭化處理得到炭化料；
S5、將炭化料與氧化石墨烯以配方量比例攪拌混合，再經離心固液分離，并將固體產物烘干，制得改性污泥活性炭。
本發明的第三方面，提供一種上述改性污泥活性炭的應用，所述改性污泥活性炭用于脫硫脫硝、VOCs氣體吸附、污水中重金屬離子吸附、土壤治理領域。
優選地，所述改性污泥活性炭用于甲苯氣體吸附領域。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
1、本發明以污泥為原料制備污泥活性炭，制備工藝簡單，材料成本低廉，市場競爭力強，同時也起到了污泥資源化的作用，達到了以廢治廢的目的；
2、本發明以污泥為原料制備活性炭，在此基礎上引入氧化石墨烯對其進行改性，氧化石墨烯的存在可以調節炭化料的孔隙結構，獲得更有利的微孔，最終制得的材料具有較大的比表面積，并大幅度提高了材料整體的吸附能力，材料可用于VOCs的吸附，尤其是對甲苯具有優異的吸附性能，拓展了生物炭材料的應用范圍；
3、本發明制備的改性污泥活性炭材料在脫硫脫硝、VOCs氣體吸附等吸附、污水重金屬離子吸附、土壤治理領域均有著潛在的應用價值。
（發明人：童裳慧）
