申请日2017.04.14
公开(公告)日2017.09.08
IPC分类号C10B53/00; C10B57/00; C10B57/12; C02F11/10
摘要
本发明公开了一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法，包括如下步骤：污泥经低温烘焙得到烘焙固体产物和烘焙气体产物;将烘焙固体产物、改性剂与冷凝轻质组分混合均匀，改性剂与烘焙固体产物的质量比为2～5:1;将混合物进行高温热解，得到热解固体产物和热解气体产物;将热解固体产物与冷凝重质组分混合;将热解得到的混合物进行成型固化，得到成型固化产物;将成型固化得到的成型固化产物进行活化得到污泥碳基材料。本发明提出的技术通过对污染热解制取污泥碳基材料过程中产生气体产物进行冷凝得到的重质组分和轻质组分分别作为生产过程在的粘合剂及分散剂使用，降低了污泥碳基材料生产过程在辅材的使用量，降低污泥碳基材料生产成本。
权利要求书
1.一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)烘焙：污泥经低温烘焙得到烘焙固体产物和烘焙气体产物;
(2)均混：将烘焙固体产物、改性剂与步骤(7)冷凝得到的冷凝轻质组分混合均匀，改性剂与烘焙固体产物的质量比为2～5:1;
(3)热解：将步骤(2)得到的混合物进行高温热解，得到热解固体产物和热解气体产物;
(4)混合：将热解固体产物与步骤(7)冷凝得到的冷凝重质组分混合;
(5)成型固化：将步骤(4)得到的混合物进行成型固化，得到成型固化产物;
(6)活化：将步骤(5)得到的成型固化产物进行活化得到污泥碳基材料;
(7)冷凝：将步骤(1)、步骤(3)过程中的产生的烘焙气体产物和热解气体产物分别进行冷凝分离，得到冷凝轻质组分、冷凝重质组分、水及不凝气，其中烘焙气体产物和热解气体产物冷凝后得到的冷凝重质组分混合后用于步骤(4)，烘焙气体产物冷凝后得到的冷凝轻质组分用于步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的烘焙温度为200℃～350℃，烘焙时间为2～6h。
3.根据权利要求1所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的热解温度为500℃～900℃，热解时间为0.5～2h。
4.根据权利要求1所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(6)中所述的活化温度为600℃～1000℃，活化时间为5～10h。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的改性剂选自磷酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌或高锰酸钾中的一种以上。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(1)所述的污泥含水率为30%～80%。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：所述的不凝气经过燃烧产生为烘焙过程提供热源的烟气。
8.根据权利要求1或2所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：烘焙气体产物经冷凝过程得到的轻质组分pH值为2～4，热解气体产物经冷凝过程得到的轻质组分pH值为2～4。
9.根据权利要求8所述的利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其特征在于：步骤(3)中热解气体产物经冷凝过程得到的冷凝轻质组分用于后续污泥制备污泥碳基材料的热解步骤中。
说明书
一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法
技术领域：
本发明属于废弃物处理及资源化利用技术领域，具体涉及一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法。
背景技术：
随着城市化的发展和社会环保水平的提高，城市污水污泥的产量逐年增加。污泥成分较为复杂，是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体。同时污泥是一种富碳废弃物，可作为制备碳材料的原料，而且碳化工艺简单，污泥炭材料制备和应用倍受青睐，已成污泥资源化利用的研究热点。污泥热解可以制备含碳材料，并可以减小固体体积，同时增强存在于炭基中的重金属对自然析出的抵抗力。而且热解产生的不凝气体和热解油有很高的热值，这能成为潜在的燃料。热解法所使用的温度低于焚烧法，因此进入热解气体中污染物也较少。
中国专利CN 102786967 A公开了一种利用污泥制备生物碳的方法，其以污泥为原料，将污泥放置于密闭反应器内，在高温、无氧条件下，污泥经高温热解一定时间后，制成生物碳。采用此法制备的生物碳，使污泥中含有较高浓度的碳、氮、磷、钾等营养盐得到回收，使污泥在减量化的同时进行资源化利用。中国专利ZL201410170177.6公开了一种污泥基活性炭及其生产方法和在电镀含铬废水中的应用，污泥经干燥、活化、微波处理、洗涤、烘干步骤后制备而成，可在电镀含铬废水处理中，污泥活性炭用作吸附剂。中国专利ZL201310112617.8公开了一种污泥高温碳化系统及碳化工艺，其包括以下步骤：1)将脱水污泥输送至脱水污泥干燥机中;2)碳化加热炉供给加热气体将污泥含水率降到30%，从脱水污泥干燥机排出的加热气体经过处理后进入碳化加热炉燃烧脱臭;3)干化污泥输送至污泥碳化炉中经过600℃～800℃的高温、缺氧处理，形成稳定的碳化产物，污泥碳化炉中碳化所产生的干馏气体输出至碳化加热炉进行燃烧脱臭。
上述专利均涉及将污泥在无氧/缺氧条件下通过加热方式转化为污泥碳、活性炭等碳基材料。但上述专利均未涉及通过合理控制污泥碳基材料制备过程，将污泥加热过程中产生的热解液体作为分散剂/粘合剂回用到污泥碳基材料制备过程中。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法，其降低了污泥碳基材料生产过程在辅材的使用量，降低污泥碳基材料生产成本及生产过程中的环境风险，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的目的是提供一种利用污泥制备污泥碳基材料的方法，包括如下步骤：
(1)烘焙：污泥经低温烘焙得到烘焙固体产物和烘焙气体产物;
(2)均混：将烘焙固体产物、改性剂与步骤(7)冷凝得到的冷凝轻质组分混合均匀，改性剂与烘焙固体产物的质量比为2～5:1;
(3)热解：将步骤(2)得到的混合物进行高温热解，得到热解固体产物和热解气体产物;
(4)混合：将热解固体产物与步骤(7)冷凝得到的冷凝重质组分混合;
(5)成型固化：将步骤(4)得到的混合物进行成型固化，得到成型固化产物;
(6)活化：将步骤(5)得到的成型固化产物进行活化得到污泥碳基材料;
(7)冷凝：将步骤(1)、步骤(3)过程中的产生的烘焙气体产物和热解气体产物分别进行冷凝分离，得到冷凝轻质组分、冷凝重质组分、水及不凝气，其中烘焙气体产物和热解气体产物冷凝后得到的冷凝重质组分用于步骤(4)，烘焙气体产物冷凝后得到的冷凝轻质组分用于步骤(2)。
烘焙、热解过程产生的气体产物经过冷凝分别得到轻质组分、重质组分和气体，轻质组分含有大量的水、有机酸、醇、酮、糖等，轻质组分通常呈液体状，密度较小，粘度低，是性质优良的分散剂;重质组分呈沥青状，主要是污泥中有机物裂解产生的聚合度较大的大分子聚合物，具有较高的密度和粘度，是优良的粘合剂;气体为不可冷凝的气体(即不凝气)，主要成分为CO、H2、CH4、CO2等，气体热值通常在10000～20000kJ/m3，可以作为烘焙过程的辅助燃料。
优选地，所述的烘焙温度为200℃～350℃，烘焙时间为2～6h。通过该烘焙温度和烘焙时间使污泥完全干燥，同时使污泥中在高温条件下易生成小分子气体和液体的有机物在较低温度和较长反应停留时间条件下，通过慢速的缩聚反应进行芳构化和炭化，生成较为稳定的大分子有机物。
优选地，所述的热解温度为500℃～900℃，热解时间为0.5～2h。烘焙得到的固体产物、烘焙后得到的气体产物经冷凝过程得到的重质组分和热解后得到的气体产物经冷凝过程得到的重质组分均匀混合后在该热解温度和热解时间条件下快速热解。作为粘合剂使用的重质组分与烘焙得到的固体产物在高温下含氢、含氧基团迅速释放，含碳基团留在固体产物中形成含有大孔结构的热解碳骨架结构及热解碳，并使热解碳保持一定的形状。
优选地，所述的活化温度为600℃～1000℃，活化时间为5～10h。通过该活化温度和活化时间使成型固化产物进行活化得到污泥碳基材料。
优选地，所述的改性剂选自磷酸、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌或高锰酸钾中的一种以上。冷凝后得到的轻质组分的pH值通常在2～4之间，呈酸性，优选的，改性剂是上述提出的酸、盐中两者的混合物。
优选地，所述的污泥含水率为30%～80%。
优选地，所述的不凝气经过燃烧产生为烘焙过程提供热源的烟气。
优选地，烘焙气体产物经冷凝过程得到的轻质组分pH值为2～4，热解气体产物经冷凝过程得到的轻质组分pH值为2～4。
优选地，步骤(3)中热解气体产物经冷凝过程得到的冷凝轻质组分用于后续污泥制备污泥碳基材料的热解步骤中。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供的技术通过对污染热解制取污泥碳基材料过程中产生气体产物进行冷凝得到的重质组分和轻质组分分别作为生产过程在的粘合剂及分散剂使用，降低了污泥碳基材料生产过程在辅材的使用量，降低污泥碳基材料生产成本;
2)本发明提供的技术由于采用整体式加热，同时通过添加改性物质有利于在污泥碳生产过程中促进污泥碳中孔的形成，所生产的污泥碳具有较大的比表面积，污泥碳物化性质较好。
