申请日2012.06.04
公开(公告)日2012.10.24
IPC分类号C01B31/12
摘要
本发明公开了一种城市污水处理厂剩余污泥和天然钛铁矿为原料，使用氯化锌为活化剂生产活性炭的方法。具体工艺如下：首先将原料污泥干燥至含水率10%以下，并进行机械粉碎，过120目筛;将钛铁矿粉碎，过200目筛，以1.5%-2%的比例加入到原料(污泥)中，混合均匀;然后使用浓度为3mol/L的氯化锌溶液将预处理后的原料(污泥)常温浸渍24h后于80℃下烘干24h，固液比(污泥质量：氯化锌溶液体积)为1:2;再将烘干后的污泥放入管式炉中(加热速率为10℃/min;N2作为保护气，流量为30L/h)，升温至525-550℃，进行一步碳化(同时碳化和活化)，时间为40-60分钟;将活化炭化物冷却至室温，经3mol/l的盐酸溶液洗涤后，用70℃-80℃的水漂洗至中性;将漂洗后的产物烘干、研磨后可得活性炭成品。
权利要求书
1.一种以城市污水处理厂剩余污泥为原料，使用钛铁矿作为造孔剂、氯化锌为活化剂生产活性炭的方法
根据权利要求1所述的添加钛铁矿制备改性污泥活性炭，其特征在于包括以下步骤：(1)原料预处理;(2)加入钛铁矿作为造孔剂(3)氯化锌溶液浸渍并烘干;(4)一步炭化(同时炭化和活化);(5)酸洗、漂洗;(6)干燥、研磨。
2.根据权利要求1和权利要求2所述的添加钛铁矿制备改性污泥活性炭的工艺和步骤，其特征在于生产工艺条件如下：(1)原料预处理：将原料(城市污水处理厂剩余污泥)干燥至含水率10%以下，并进行机械粉碎，过120目筛。
3.(2)加入造孔剂钛铁矿：将钛铁矿粉碎，过200目筛，以1.5%-2%的比例加入到原料(污泥)中，混合均匀。
4.(3)氯化锌溶液浸渍：使用浓度为3mol/L 的氯化锌溶液将预处理后的原料(污泥)常温浸渍24h后于80℃下烘干24h，浸渍固液比(污泥质量：氯化锌溶液体积)为1:2。
5.(4)一步炭化(同时炭化和活化)：将烘干后的原料(污泥)放入管式炉中(加热速率为10℃/min;N2作为保护气，流量为30 L/h)，升温至525-550℃，进行一步炭化，炭化时间为40-60分钟。
6.(5)酸洗、漂洗：将活化炭化物冷却至室温后，经3mol/l的盐酸溶液洗涤后，用70℃-80℃的水漂洗至中性。
7.(6)干燥、研磨：将第5步所得的产物烘干、研磨后可得活性炭成品。
说明书
一种提高城市污泥活性炭性能的新方法
技术领域
本发明涉及一种以城市污水处理厂剩余污泥为原料，添加钛铁矿作为造孔剂，使用氯化锌为活化剂生产活性炭产品的新方法。
背景技术
活性炭广泛应用于化学、生物技术、食品、医药、国防、环境保护、能源等几乎所有的科学研究和国民经济部门以及人们的日常生活中，且应用面越来越宽，需求量逐年稳步增长。制备活性炭的原料有木材、焦炭、石油焦、果壳、农作物秸秆、合成纤维、煤和塑料等。为了保护人类的生存环境，传统的活性炭生产原料受到越来越多的限制，如何扩大生产活性炭的原料来源，提高活性炭产品的性能，而且尽量利用影响环境的固体废弃物来生产活性炭，降低原料成本，已成为增强活性炭产品竞争力需要解决的基本问题。目前，已公开的用于生产活性炭的各种工农业生产过程中产生的固体废弃物包括：城市污水处理厂污泥制备活性炭的方法(申请号: 200410093931.7 ;公开号:CN1644495)、废电路板塑料(申请号CN201010504085.9;公开号: CN101948110A)、佛手渣(申请号CN201010183831.9;公开号: CN101844764A)、麻杆(申请号201110210898.1;公开号: CN102381703A)、化学制浆与造纸厂废水污泥(申请号CN201110093962.2;公开号: CN102344136A)、城市固体生活垃圾微波裂解固残物(申请号CN201110203745.4;公开号: CN102275913A)、畜角(申请号CN201110132205.1;公开号: CN102249224A)、喜旱莲子草(申请号CN201110193512.0;公开号: CN102267696A)、松塔(申请号CN201110158695.2;公开号: CN102249228A)、剩余污泥(申请号CN201110285895.4;公开号: CN102432007A)、棉短绒(申请号CN201110103034.X;公开号: CN102220665A)、文冠果子壳(申请号CN201110084462.2;公开号: CN102211767A)、废弃羊毛(申请号CN201110106698.1;公开号: CN102161485A)、农药化工行业污水处理剩余污泥(申请号CN201110052021.4;公开号: CN102134072A)、化工污泥(申请号CN201110052038.X;公开号: CN102120575A)、化工污泥添加果壳(申请号CN201110052074.6;公开号: CN102107872A)、。
随着我国城市化进程的加快，人们生活水平提高，城市用水量逐渐增大，城市污水集中处理已经成为国内外污水处理的发展趋势。《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》要求，到2015年，全国所有城市和县城具有污水集中处理能力，城市污水处理率提高到85%。如果这些城市污水得不到处理，每年将会产生污泥(干重)约840万吨，约占我国固体废弃物总量的3.2%。目前，即使在我国城市化水平较高的几个城市与地区，污泥处置问题也已十分突出。
污水处理厂产生的污泥主要为含水量在70%-97%不等的固体或流体状的粘稠絮状物，其中固体成分主要是由细菌类、真菌类、原生动物以及无机、有机颗粒、胶体等。另外还包含着丰富的氮(N)、磷(P)、钾(K)以及各种对农业有潜在利用价值的有机质和微量元素等。由于污泥主要来源于各类污水，所以污泥中不可避免的含有各类有毒有害物质，如含有大量的寄生虫卵、病原微生物、铜、锌、铬、汞等重金属以及盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的物质。这些有机物和有害物质的性质不稳定、易腐化，如果处理不当，将会造成严重的环境污染和资源浪费。
以污水处理厂剩余污泥作为原料制备活性炭既可以降低活性炭的生产成本又能减少污泥的排放，避免了二次污染的产生，而且实现了其资源化利用，以废治废，变废为宝，具有很好的环境效益、经济效益和社会效益。
现有活性炭生产方法有直接碳化法、物理活化法和化学活化法等。本发明所用的方法是化学法，即：将活化剂与原料混合，在惰性气体保护下进行热分解的方法。本发明针对传统以氯化锌为活化剂、剩余污泥为原料制备活性炭时，存在生产的活性炭的吸附量小、工业化应用困难的现状进行了改进，在污泥原料中加入少量的钛铁矿作为造孔剂，并且将炭化和活化过程合而为一(即一步炭化)生产活性炭，有效的改善了活性炭产品的孔隙结构，大幅增加了活性炭产品的比表面积和碘吸附值，提高了活性炭产品的吸附性能。且添加的造孔剂——钛铁矿，它是一种含有多种金属化合物的天然矿物，广泛分布于我国西南地区，较为易得。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以污水处理厂剩余污泥为原料，添加钛铁矿为造孔剂，利用化学法生产高效活性炭产品的新方法。该方法工艺简单，生产成本低，得到的活性炭产品性能比传统的化学法性能好，便于实现规模化生产，具有重大的社会效益和良好的经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的：以污水处理厂剩余污泥为原料，氯化锌为活化剂，钛铁矿作为造孔剂，用一步炭化法生产活性炭。具体包括以下步骤：
(1) 原料预处理：
将原料(城市污水处理厂剩余污泥)干燥至含水率10%以下，并进行机械粉碎，过120目筛。
(2) 加入造孔剂钛铁矿
将钛铁矿粉碎，过200目筛，以1.5%-2%的比例加入到原料(污泥)中，混合均匀。
(3) 氯化锌溶液浸渍
使用浓度为3mol/L 的氯化锌溶液将预处理后的原料(污泥)常温浸渍24h后于80℃下烘干24h，浸渍固液比(污泥质量：氯化锌溶液体积)为1:2。
(4) 一步炭化(同时炭化和活化)
将烘干后的原料(污泥)放入管式炉中(加热速率为10℃/min;N2作为保护气，流量为30 L/h)，升温至525-550℃，进行一步炭化，炭化时间为40-60分钟。
(5) 酸洗、漂洗
将活化炭化物冷却至室温后，经3mol/l的盐酸溶液洗涤后，用70℃-80℃的水漂洗至中性。
(6) 干燥、研磨
将第5步所得的产物烘干、研磨后可得活性炭成品。
按照本发明方法制备的活性炭用于处理含Cr(Ⅵ)废水, 吸附率可达99.17%，吸附量为12.4 mg/g。该活性碳对其他重金属离子的废水以及染料废水也有较好的处理效果。相对于以前公开的利用城市剩余污泥制备活性炭的技术，本发明具有以下突出的特点和优势。
1、在活性炭的生产过程中加入了造孔剂钛铁矿，改善了活性炭产品的孔隙结构，大幅增加了活性炭产品的比表面积和吸附碘值，具体实例见下表：
由上表可知，添加钛铁矿后，活性炭碘吸附值达523.24 mg/g、比表面积达285.003 m2/g、总孔容积达0.634 cm3/g、微孔容积达0.127 cm3/g、微孔比率达20.03%，相对于纯污泥活性炭分别提高了27.95%、43.08%、31.81%、42.7%、8.27%。以上的数据表明，钛铁矿的添加促使了更多微孔的生成。
2、炭化与活化同时进行，工艺流程得到简化，所需的反应温度低于单独使用水蒸气活化时需要的温度(通常情况下水蒸汽活化的温度在750-900℃)，并且还能节约活化所需时间(本发明所需炭化活化时间仅为40-60分钟，比分别进行炭化与活化工艺缩短1-3小时)。炭化活化过程一次完成，有利于形成尺寸较小的碳微晶，容易形成细的孔隙结构，可以制造出孔隙更发达、吸附性能更好的活性炭。
3、活性炭产品的吸附性能有大幅提高。将活性炭用于处理含Cr(Ⅵ)废水(初始质量浓度为50 mg/L)，实验结果见下表：
4、添加的造孔剂—钛铁矿是一种含有多种金属化合物的天然矿物，广泛分布于我国西南地区，较为易得，价格低廉。
