申请日2019.09.05
公开(公告)日2019.11.22
IPC分类号C02F1/461; C02F1/72; C02F11/00; C02F101/20; C02F101/30; C02F101/34
摘要
本发明涉及一种混凝污泥的资源化利用方法及其产品和用途，所述方法以混凝污泥作为原料，经烘干处理后制备电极浆料，并将其用于制备电芬顿阴极材料，从而实现了废物的资源化利用;所述电芬顿阴极材料用于催化降解污染物，其具有较高的过氧化氢产率，对污染物的降解效率很高。
权利要求书
1.一种混凝污泥的资源化利用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将混凝污泥进行干燥处理得到污泥材料;
(2)对步骤(1)得到的污泥材料通过复配得到电极浆料;
(3)将步骤(2)得到的电极浆料涂覆至基础电极上，得到电芬顿阴极材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混凝污泥为含铁的混凝污泥;
优选地，步骤(1)所述混凝污泥来自焦化厂污水处理过程。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述干燥处理的方法包括真空干燥和/或冷冻干燥;
优选地，所述真空干燥的温度为50-150℃。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述干燥处理后还包括将混凝污泥进行研磨处理;
优选地，所述研磨处理的终点至混凝污泥的粒度为400-1600目。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述复配的方法包括将污泥材料、粘结剂、导电剂和溶剂混合，搅拌得到电极浆料;
优选地，所述污泥材料、导电剂和粘结剂的质量比为(2-10):(0.5-2):(0.8-1.2);优选为(7.8-8.2):(0.9-1.1):(0.9-1.1)，进一步选为8:1:1;
优选地，所述污泥材料的质量与溶剂的体积之比为0.1-2g/mL，优选为0.3-0.4g/mL;
优选地，所述粘结剂包括聚氨酯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的任意一种或至少两种的组合，优选为聚偏氟乙烯;
优选地，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑和石墨中的任意一种或至少两种的混合物，优选为乙炔黑;
优选地，所述溶剂包括异丙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的混合物;
优选地，所述搅拌的时间为5-12h。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将电极浆料涂覆至基础电极上后还包括干燥;
优选地，步骤(3)所述基础电极包括泡沫镍、石墨片、碳布或碳纸中的任意一种或至少两种的组合，优选为碳纸。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述基础电极上污泥材料的负载量为1-10mg/cm2。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将混凝污泥进行干燥，研磨筛分，得到400-1600目的污泥材料;
(2)将步骤(1)得到的污泥材料、粘结剂、导电剂和溶剂混合，搅拌5-12h，得到电极浆料;所述污泥材料、导电剂和粘结剂的质量比为(7.8-8.2):(0.9-1.1):(0.9-1.1);所述污泥材料的质量与溶剂的体积之比为0.3-0.4g/mL;
(3)将步骤(2)得到的电极浆料涂覆在基础电极上，干燥后得到电芬顿阴极材料，所述基础电极包括泡沫镍、石墨片、碳布或碳纸中的任意一种或至少两种的组合，所述基础电极上污泥材料的负载量为1-10mg/cm2。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的电芬顿阴极材料，其特征在于，所述电芬顿阴极材料中污泥材料的负载量为1-10mg/cm2。
10.如权利要求9所述的电芬顿阴极材料的用途，其特征在于，所述电芬顿阴极材料用于降解污染物;
优选地，所述污染物的种类包括大分子有机酸、抗生素、多环芳烃或有机染料中的任意一种或至少两种的组合，优选为双酚A。
说明书
一种混凝污泥的资源化利用方法及其产品和用途
技术领域
本发明涉及资源回收利用领域，尤其涉及一种混凝污泥的资源化利用方法及其产品和用途。
背景技术
混凝污泥是废水处理过程中产生的一种常见的固体废物，其成分较为复杂且不同的处理工艺导致污泥的成分存在不同。混凝污泥中主要包括未被降解的有机物、无机杂质和水等。
我国每年废水排放总量约700万亿吨，每年干污泥产量约1.5-2.4百万吨，常见的处理方式为土地利用、卫生填埋、焚烧等方法。但依旧有大量的污泥没有得到妥善的处置，如不加以妥善处理，任意堆放，将引起严重的二次污染。为了避免固体废弃物所产生的二次危害，对其进行无害化处理和资源化利用已成为一种趋势。
CN102179253A公开了一种利用电镀污泥和电镀废水制备催化剂的工艺方法，将电镀污泥和废水按一定比例混合后与二氧化碳协同进行处理，然后将处理后的产物进行煅烧，即可制得其有一定活性的催化剂，缓解环境污染，实现以废制废。
CN104108845A公开了一种微生物燃料电池利用剩余污泥同步产电产甲烷的方法，其将剩余污泥先进行浓缩，与厌氧消化污泥进行混合，调节其pH值到合适值后，然后加入到微生物燃料电池阳极室中，控制阳极室混合污泥的混合、温度，进行厌氧消化和产电，从而实现微生物燃料电池同步产电和产甲烷。
电芬顿作为一种环境友好型污染水处理工艺引起了人们的注意。电芬顿技术的具体过程为氧气在阴极表面氧化还原反应产生H2O2，与溶液中的Fe2+反应生成·OH，产生的·OH可以与有机物反应，生成CO2和H2O。从而实现对污染物的氧化降解。然而目前的电芬顿技术普遍使用功能化的多孔复合材料作为阴极，而此类材料生产工艺较为复杂、成本过高，会降低电芬顿技术应用的经济效益。
CN106744828A公开了一种新型电芬顿阴极材料的制备与处理有机染料废水的应用，所述制备方法包括以天然鳞片石墨粉为原料，经氨水水热处理、去离子水置换处理、真空冷冻干燥等步骤后获得三维多孔石墨烯气凝胶，并将其作为电芬顿阴极材料，此方案的缺陷在于制备成本高，操作复杂。
CN106400048A公开了一种基于木质素的电芬顿阴极材料及其制备方法，所述制备方法包括碳基材料预处理;(2)电化学聚合沉积;(3)将得到的导电聚合物单体/木质素共聚阴极材料用去离子水清洗，在室温下风干，得到所述电芬顿阴极材料，此方案的制备过程复杂，制备成本较高。
上述文献虽然公开了一些污泥的应用及电芬顿阴极材料的制备方法，但仍存在污泥的应用范围较窄，及电芬顿阴极材料制备成本高的问题，因此，开发一种基于制备高效电芬顿阴极材料的混凝污泥的资源化利用方法仍具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混凝污泥的资源化利用方法及其产品和用途，所述方法将混凝污泥进行资源化利用，由其制备得到的电芬顿阴极材料用于降解污染物，从而实现了废物的资源化利用，本发明所述方法的制备过程简单，易于工业化应用，且由其制备得到的电芬顿阴极材料具有较高的过氧化氢产率，其对污染物的降解效率很高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种混凝污泥的资源化利用方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将混凝污泥进行干燥处理得到污泥材料;
(2)对步骤(1)得到的污泥材料通过复配得到电极浆料;
(3)将步骤(2)得到的电极浆料涂覆至基础电极上，得到电芬顿阴极材料。
本发明所述混凝污泥来自焦化厂废水处理过程产生的污泥，所述混凝污泥的成分包括大量的有机物(例如包含C、N和P等)、金属离子(例如Fe离子、Al离子和Mg离子等)、微生物及微量重金属离子(例如Cu离子、Mn离子，含量为0.001-0.02mg/L)，重金属离子的存在使得其对环境的危害更大，而本发明所述研究表明焦化厂混凝污泥中含有的重金属离子对于提高由其制备得到的电芬顿阴极材料的催化性能具有重要作用，使得由其制备得到的电芬顿阴极材料较由城市污泥制备得到的阴极材料的性能明显提升。
本发明所述混凝污泥的资源化利用方法制备得到的电芬顿阴极材料的中含有一定量的金属离子、有机物与微生物成分等;在不经过高温过程，污泥材料依旧保持金属离子的络合状态而去提升其催化效率，从而对污染物有较高的降解效果。
本发明所述方法通过将焦化厂产生的混凝污泥进行干燥处理，之后制备电极浆料，由所述电极浆料制备得到的电芬顿阴极材料具有较高的过氧化氢产率，可用于降解污染物;本发明所述方法的制备过程简单，无需高温处理，能耗低，且其用于降解双酚A的效率很高，在无外加Fe2+催化剂的情况下，其降解效率可达91%以上。
优选地，步骤(1)所述混凝污泥为含铁的混凝污泥。
优选地，步骤(1)所述混凝污泥来自焦化厂污水处理过程。
优选地，步骤(1)所述干燥处理的方法包括真空干燥和/或冷冻干燥。
优选地，所述真空干燥的温度为50-150℃，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等。
优选地，步骤(1)所述干燥处理后还包括将混凝污泥进行研磨处理。
优选地，所述研磨处理的终点至混凝污泥的粒度为400-1600目，例如450目、500目、550目、600目、650目、700目、750目、800目、850目、900目、950目、1000目、1100目、1200目、1300目、1400目或1500目等。
优选地，步骤(2)所述复配的方法包括将污泥材料、粘结剂、导电剂和溶剂混合，搅拌得到电极浆料。
本发明所述方法将烘干后的混凝污泥进行研磨筛分得到粒度为400-1600目的污泥材料，其更易于粘结剂、导电剂及溶剂混合得到电极浆料，从而进一步提高制备得到的电芬顿阴极材料的对于污染物的降解性能。
优选地，所述污泥材料、导电剂和粘结剂的质量比为(2-10):(0.5-2):(0.8-1.2);例如2.5:1.8:1.1、5:1.5:1、7:0.9:0.9或9:0.6:0.8等，优选为(7.8-8.2):(0.9-1.1):(0.9-1.1)，进一步优选为8:1:1。
优选地，所述污泥材料的质量与溶剂的体积之比为0.1-2.0g/mL，例如0.1g/mL、0.2g/mL、0.5g/mL、1.0g/mL或2.0g/mL等，优选为0.3-0.4g/mL。
优选地，所述粘结剂包括聚氨酯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的任意一种或至少两种的组合，所述组合包括聚氨酯和羧甲基纤维素钠的组合、聚丙烯酸和聚乙烯醇的组合或聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯的组合，优选为聚偏氟乙烯。
优选地，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑和石墨中的任意一种或至少两种的混合物，所述混合物示例性的包括炭黑和乙炔黑的混合物、炭黑和石墨的混合物或乙炔黑和石墨的混合物等，优选为乙炔黑。
优选地，所述溶剂包括异丙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的混合物，所述混合物示例性的包括异丙醇和N-甲基吡咯烷酮的混合物、N,N-二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺的混合物或N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基乙酰胺的混合物等。
优选地，所述搅拌的时间为5-12h，例如5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h或12h等。
优选地，步骤(3)中将电极浆料涂覆至基础电极上后还包括干燥。
优选地，步骤(3)所述基础电极包括泡沫镍、石墨片、碳布或碳纸中的任意一种或至少两种的组合，所述组合包括泡沫镍和石墨片的组合、碳布和碳纸的组合或泡沫镍和碳纸的组合等，优选为碳纸。
优选地，步骤(3)所述基础电极上污泥材料的负载量为1-10mg/cm2，例如1mg/cm2、3mg/cm2、5mg/cm2或8mg/cm2等。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将混凝污泥进行干燥，研磨筛分，得到400-1600目的污泥材料;
(2)将步骤(1)得到的污泥材料、粘结剂、导电剂和溶剂混合，搅拌5-12h，得到电极浆料;污泥材料、导电剂和粘结剂的质量比为(7.8-8.2):(0.9-1.1):(0.9-1.1);所述污泥材料的质量与溶剂的体积之比为0.3-0.4g/mL;
(3)将步骤(2)得到的电极浆料涂覆在基础电极上，干燥后得到电芬顿阴极材料，所述基础电极包括泡沫镍、石墨片、碳布或碳纸中的任意一种或至少两种的组合，所述基础电极上污泥材料的负载量为1-10mg/cm2。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的方法制备得到的电芬顿阴极材料，所述电芬顿阴极材料中污泥材料的负载量为1-10mg/cm2，例如1mg/cm2、3mg/cm2、5mg/cm2或8mg/cm2等。
第三方面，本发明提供了如第二方面所述的电芬顿阴极材料的用途，所述电芬顿阴极材料用于降解污染物。
优选地，所述污染物的种类包括大分子有机酸、抗生素、多环芳烃或有机染料中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括大分子有机酸和抗生素的组合、抗生素和多环芳烃的组合或有机染料和抗生素的组合等，优选为双酚A。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法利用了焦化厂污泥的特有属性，将焦化厂废水处理过程产生的混凝污泥进行干燥处理后制备电极浆料，由所述电极浆料制备得到的电芬顿阴极材料用于电催化降解污染物，其电催化降解双酚A的效率可达91%以上;
(2)本发明所述方法的制备过程简单，能耗较低，无需高温处理;
(3)本发明所述方法采用焦化厂废水处理过程产生的危险废物混凝污泥进行资源化利用，实现的废物的资源化利用，同时，降低了电芬顿阴极材料的制备成本。（发明人赵赫;曹宏斌;李海波;盛宇星;孙峙;侯蓉）
