公布日：2023.03.28
申请日：2022.11.10
分类号：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
本发明公开了一种改性污泥活性炭及其制备方法和应用，包括如下原料组分：污泥颗粒、增炭剂和粘结剂；各原料混合后，经炭化处理得到炭化料，炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为600℃～800℃，炭化升温温度为3～10℃/min，炭化时间为0.5～3h；再将炭化料与氧化石墨烯以质量比为1：(0.01-0.1)的比例混合均匀，经离心固液分离，并将固体产物烘干，制得改性污泥活性炭。其比表面积较大，存在大量的中、微孔，材料吸附性能较好，用于VOCs的吸附，拓展了生物炭材料的应用范围，而且起到了污泥资源化的作用，达到了以废治废的目的，材料成本低廉、市场竞争力强。
权利要求书
1.一种改性污泥活性炭，其特征在于，包括如下原料组分：污泥颗粒、增炭剂和粘结剂；各原料混合后，经炭化处理得到炭化料，炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为600℃～800℃，炭化升温温度为3～10℃/min，炭化时间为0.5～3h；再将炭化料与氧化石墨烯以质量比为1：(0.01-0.1)的比例混合均匀，经离心固液分离，并将固体产物烘干，制得改性污泥活性炭。
2.根据权利要求1所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述污泥颗粒、增炭剂和粘结剂的质量比为(80～100)：(20～40)：(5～20)。
3.根据权利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述污泥颗粒为市政污泥、工业污泥、含油污泥中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述增炭剂为木粉、稻壳粉、椰壳粉、玉米秸秆粉、藤粉、树皮、花生壳粉中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述粘结剂为高温煤焦油、煤沥青、凹凸棒土、铝溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇、CMC、改性淀粉、酚醛树脂、木焦油中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的改性污泥活性炭，其特征在于，所述氧化石墨烯的质量浓度为19～46.44％。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的改性污泥活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到污泥颗粒；S2、将污泥颗粒与增炭剂以配方量比例进行搅拌混合，再向其中加入配方量的粘结剂继续搅拌混合，得到混合物料；S3、将混合物料进行造粒成型，并经陈化烘干处理得到活性炭原胚料；S4、将活性炭原胚料在惰性气体环境下进行炭化处理得到炭化料；S5、将炭化料与氧化石墨烯以配方量比例搅拌混合，再经离心固液分离，并将固体产物烘干，制得改性污泥活性炭。
8.一种如权利要求1-6中任一项所述的改性污泥活性炭的应用，其特征在于，所述改性污泥活性炭用于脱硫脱硝、VOCs气体吸附、污水中重金属离子吸附、土壤治理领域。
9.根据权利要求8所述的改性污泥活性炭的应用，其特征在于，所述改性污泥活性炭用于甲苯气体吸附领域。
发明内容
为了解决现有技术中污泥活性炭的孔隙较差，吸附量较小的问题，本发明提供一种改性污泥活性炭，其比表面积较大，存在大量的中、微孔，材料吸附性能较好，用于VOCs的吸附，拓展了生物炭材料的应用范围，而且起到了污泥资源化的作用，达到了以废治废的目的，材料成本低廉、市场竞争力强。此外，本发明还提供一种上述改性污泥活性炭的制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种改性污泥活性炭，包括如下原料组分：污泥颗粒、增炭剂和粘结剂；
各原料混合后，经炭化处理得到炭化料，炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为600℃～800℃，炭化升温温度为3～10℃/min，炭化时间为0.5～3h；
再将炭化料与氧化石墨烯以质量比为1：(0.01-0.1)的比例混合均匀，经离心固液分离，并将固体产物烘干，制得改性污泥活性炭。
采用上述技术方案：
本申请中以污泥作为主要原料，将污泥变废为宝，符合污泥的无害化、减量化处理要求，为污泥资源化提供了新的途径；首先，向污泥中加入增炭剂，可以有效弥补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，将混合物进行炭化处理，在炭化处理过程中，合理控制炭化温度、炭化时间和升温速率有利于材料进行热解缩聚反应，在无氧高温条件下材料中的挥发分分解逸出，形成复杂多孔的孔隙结构，有利于提高炭材料的吸附性能，并防止炭坯产生裂纹；最后，再引入氧化石墨烯对炭化料进行改性，氧化石墨烯具有独特的二维结构，比表面积可达2600m2/g，具有大量的官能团，其与炭化料都具有很强的吸附能力，两者以特定配比混合，氧化石墨烯的存在可以调节炭化料的孔隙结构，获得更有利的微孔，最终制得的材料具有较大的比表面积，并大幅度提高了材料整体的吸附能力。
具体地，所述污泥颗粒、增炭剂和粘结剂的质量比为(80～100)：(20～40)：(5～20)。
具体地，所述污泥颗粒为非危废类污泥，可选用市政污泥、工业污泥、含油污泥中的一种或多种。
污泥颗粒的制备过程如下：将经过预处理的污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛处理，得到污泥颗粒。优选地，污泥颗粒的含水量为2～10wt％，粒径为80～200目。通过对污泥预先进行干燥处理，有助于后续污泥颗粒与增炭剂混合均匀。
污泥的预处理方式为好氧发酵、厌氧发酵、低温带式干化、热干化中的一种或多种。
具体地，所述增炭剂为木粉、稻壳粉、椰壳粉、玉米秸秆粉、藤粉、树皮、花生壳粉中的一种或多种。
增碳剂在使用时，预先经干燥脱水处理，再经粉碎、过筛。
由于污泥中的含碳量较低，因此本申请中在配方中加入C含量较高的生物质材料作为增炭剂，可以有效弥补污泥本身固定碳含量低、灰分不足的缺陷。
具体地，所述粘结剂为高温煤焦油、煤沥青、凹凸棒土、铝溶胶、聚乙二醇、聚乙烯醇、CMC(羧甲基纤维素)、改性淀粉、酚醛树脂、木焦油中的一种或多种。
具体地，所述氧化石墨烯的质量浓度为19～46.44％。
本发明的第二方面，提供一种上述改性污泥活性炭的制备方法，包括如下步骤：
S1、将污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到污泥颗粒；
S2、将污泥颗粒与增炭剂以配方量比例进行搅拌混合，再向其中加入配方量的粘结剂继续搅拌混合，得到混合物料；
S3、将混合物料进行造粒成型，并经陈化烘干处理得到活性炭原胚料；
S4、将活性炭原胚料在惰性气体环境下进行炭化处理得到炭化料；
S5、将炭化料与氧化石墨烯以配方量比例搅拌混合，再经离心固液分离，并将固体产物烘干，制得改性污泥活性炭。
本发明的第三方面，提供一种上述改性污泥活性炭的应用，所述改性污泥活性炭用于脱硫脱硝、VOCs气体吸附、污水中重金属离子吸附、土壤治理领域。
优选地，所述改性污泥活性炭用于甲苯气体吸附领域。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明以污泥为原料制备污泥活性炭，制备工艺简单，材料成本低廉，市场竞争力强，同时也起到了污泥资源化的作用，达到了以废治废的目的；
2、本发明以污泥为原料制备活性炭，在此基础上引入氧化石墨烯对其进行改性，氧化石墨烯的存在可以调节炭化料的孔隙结构，获得更有利的微孔，最终制得的材料具有较大的比表面积，并大幅度提高了材料整体的吸附能力，材料可用于VOCs的吸附，尤其是对甲苯具有优异的吸附性能，拓展了生物炭材料的应用范围；
3、本发明制备的改性污泥活性炭材料在脱硫脱硝、VOCs气体吸附等吸附、污水重金属离子吸附、土壤治理领域均有着潜在的应用价值。
（发明人：童裳慧）
