公布日：2023.03.07
申請日：2022.10.31
分類(lèi)號：C01B32/336(2017.01)I;C01B32/324(2017.01)I;C01B32/384(2017.01)I;B01J20/20(2006.01)I
摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高性能污泥活性炭及其制備方法和應用，包括如下組分：污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑；其中，污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑的質(zhì)量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，經(jīng)過(guò)炭化、活化處理；炭化處理在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，炭化溫度為400～700℃，炭化時(shí)間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；活化處理過(guò)程中，活化溫度為600～1000℃，活化時(shí)間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。該高性能污泥活性炭具有優(yōu)異的吸附性能、強度高、制備工藝簡(jiǎn)單、制備過(guò)程能耗低、無(wú)二次污染、成本低廉、市場(chǎng)競爭力強。
權利要求書(shū)
1.一種高性能污泥活性炭，其特征在于，包括如下組分：污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑；其中，污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑的質(zhì)量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，經(jīng)過(guò)炭化、活化處理；炭化處理在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，炭化溫度為400～700℃，炭化時(shí)間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；活化處理過(guò)程中，活化溫度為600～1000℃，活化時(shí)間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。
2.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述污泥為市政污泥、工業(yè)污泥、含油污泥中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述生物質(zhì)材料為玉米秸稈、竹片、板栗殼、米糠、椰殼、堅果、松樹(shù)、白木、楊樹(shù)、棉籽殼中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述粘結劑為煤焦油、木焦油、酚醛樹(shù)脂、羧甲基纖維素、水玻璃、海泡石、膨潤土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化處理過(guò)程中，活化方式為化學(xué)活化、物理活化、物理‑化學(xué)活化中的一種或多種。
6.根據權利要求5所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化處理方式為物理活化，所采用的活化劑為空氣、水蒸氣、CO2中的一種或多種。
7.根據權利要求6所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化劑為水蒸氣，水蒸氣與待炭化的混合物料的比例為(0.5～3)：1。
8.一種如權利要求1‑7中任一項所述的高性能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(jīng)干燥脫水處理后，再經(jīng)粉碎、過(guò)篩，得到污泥粉末；S2、將生物質(zhì)材料經(jīng)干燥脫水處理后，再經(jīng)粉碎、過(guò)篩，得到生物質(zhì)材料粉末；S3、將污泥粉末、生物質(zhì)材料粉末和粘結劑以配方量比例混合均勻，并加適量水捏合，得到混合物料；S4、將混合物料進(jìn)行造粒成型，并經(jīng)陳化處理得到活性炭原胚料；S5、將活性炭原胚料經(jīng)炭化、活化處理，得到高性能污泥活性炭。
9.根據權利要求8所述的高性能污泥活性炭的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中，陳化溫度為60～85℃，陳化時(shí)間8～24h。
10.一種權利要求1‑7中任一項所述的高性能污泥活性炭的應用，其特征在于，所述高性能污泥活性炭用于處理廢氣、廢水和改良土壤。
發(fā)明內容
為了滿(mǎn)足我國日益增大的活性炭需求，實(shí)現城市污泥減量化、無(wú)害化、資源化處置的環(huán)保目標，加快生物質(zhì)固廢資源化利用進(jìn)程，本發(fā)明的目的在于提供一種高效、經(jīng)濟、安全的高性能污泥活性炭，其具有優(yōu)異的吸附性能、強度高、制備工藝簡(jiǎn)單、制備過(guò)程能耗低、無(wú)二次污染、成本低廉、市場(chǎng)競爭力強。此外，本發(fā)明還提供一種上述高性能污泥活性炭的制備方法和應用。
為了實(shí)現上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
本發(fā)明的第一方面，提供一種高性能污泥活性炭，包括如下組分：污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑；
其中，污泥、生物質(zhì)材料和粘結劑的質(zhì)量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；
各原料混合后，經(jīng)過(guò)炭化、活化處理；
炭化處理在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，炭化溫度為400～700℃，炭化時(shí)間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；
活化處理過(guò)程中，活化溫度為600～1000℃，活化時(shí)間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。
具體地，所述污泥為非危廢類(lèi)污泥，為市政污泥、工業(yè)污泥、含油污泥中的一種或多種。
具體地，所述生物質(zhì)材料為玉米秸稈、竹片、板栗殼、米糠、椰殼、堅果、松樹(shù)、白木、楊樹(shù)、棉籽殼中的一種或多種。
優(yōu)選地，生物質(zhì)材料為椰殼，椰殼的含碳量較高。
由于污泥中的含碳量低，因此在配方中加入生物質(zhì)材料作為增碳劑，其含碳量是篩選生物質(zhì)材料的重要指標。生物質(zhì)材料中的組成元素中C的含量最高，約38～76％，因此生物質(zhì)材料可作為該活性炭制備過(guò)程中較為優(yōu)異的協(xié)同原材料。
具體地，所述粘結劑為煤焦油、木焦油、酚醛樹(shù)脂、羧甲基纖維素、水玻璃、海泡石、膨潤土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或多種。
具體地，所述活化處理過(guò)程中，活化方式為化學(xué)活化、物理活化、物理‑化學(xué)活化中的一種或多種。
優(yōu)選地，所述活化處理方式為物理活化，所采用的活化劑為空氣、水蒸氣、CO2中的一種或多種�；罨瘎﹥�(yōu)選水蒸氣，水蒸氣與待炭化的混合物料的比例(也成為水炭比)為(0.5～3)：1。
本申請中的炭化、活化工藝步驟采用炭化活化一體爐，并經(jīng)大量的實(shí)驗，綜合考慮最終制備的活性炭材料的強度、脫硫脫硝性等性能指標，最終確定了最優(yōu)的炭化溫度、炭化時(shí)間、炭化升溫速率以及活化溫度、活化時(shí)間、活化升溫溫度。
熱解炭化和高溫活化過(guò)程中產(chǎn)生的可燃性氣體既可用作炭化過(guò)程、活化過(guò)程的熱源，也可作為原料干燥脫水的熱源。
熱解炭化的主要功能是在無(wú)氧高溫條件下材料中的揮發(fā)分分解逸出，形成復雜多孔的孔隙結構，其中部分炭化產(chǎn)物碳原子組合成為不規則的芳香族環(huán)片狀結構，造成部分裂縫，這些裂縫會(huì )在后續的高溫活化工藝中進(jìn)一步形成更為發(fā)達的微孔結構，提升吸附性能。
本申請中的活化處理過(guò)程選用物理活化方式，并選用水蒸氣作為活化介質(zhì)。高溫活化過(guò)程中活化物質(zhì)與炭化料之間進(jìn)行氧化還原反應，達到擴舊孔開(kāi)新孔的目的。物料的炭表面吸附水蒸氣后，吸附的水蒸氣釋放出氫氣，吸附的氧以CO的形態(tài)從炭表面脫落；生成的CO與炭表面上的吸附氧反應生產(chǎn)CO2；炭表面與水蒸氣持續進(jìn)行上述反應。這種反應不僅擴大了活性炭復雜多孔的孔隙結構，改善了孔隙的性能指標，還可清除炭化過(guò)程中積蓄在孔隙結構內的熱解焦油及未逸出的熱解產(chǎn)物，擴大了孔隙結構、提高了孔洞體積和比表面積、增多了復雜的表面官能團，得到最佳性能的活性炭材料。
本發(fā)明的第二方面，提供一種上述高性能污泥活性炭的制備方法，包括如下步驟：
S1、將污泥經(jīng)干燥脫水處理后，再經(jīng)粉碎、過(guò)篩，得到污泥粉末；
S2、將生物質(zhì)材料經(jīng)干燥脫水處理后，再經(jīng)粉碎、過(guò)篩，得到生物質(zhì)材料粉末；
S3、將污泥粉末、生物質(zhì)材料粉末和粘結劑以配方量比例混合均勻，并加適量水捏合，得到混合物料；
S4、將混合物料進(jìn)行造粒成型，并經(jīng)陳化處理得到活性炭原胚料；
S5、將活性炭原胚料經(jīng)炭化、活化處理，得到高性能污泥活性炭。
具體地，所述步驟S1中，污泥經(jīng)干燥脫水、粉碎后，其粒度為150～350目，更優(yōu)選為200～250目，其含水率為6～10％，干基有機質(zhì)含量為40～70％，干基灰分含量為40～60％。
所述步驟S2中，生物質(zhì)材料經(jīng)干燥脫水、粉碎后，其粒度為150～350目，更優(yōu)選為200～250目，其含水率為6～10％，干基有機質(zhì)含量為70～99％，干基灰分含量為1～40％。
所述步驟S3中，陳化溫度為60～85℃，陳化時(shí)間8～24h。
所述步驟S3中，捏合時(shí)間為40～60min。
所述步驟S4中，活性炭原胚料的直徑為8～10mm，長(cháng)度為3～15mm。
本發(fā)明的第三方面，提供一種上述高性能污泥活性炭的應用，所述高性能污泥活性炭用于處理廢氣、廢水和改良土壤。
具體地，該高性能污泥活性炭可用于煙氣脫硫脫硝領(lǐng)域。
與現有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
(1)該高性能污泥活性炭具有優(yōu)異的吸附性能、強度高，可用于處理廢氣、廢水和改良土壤，與現有活性炭相比，其制備過(guò)程能耗低，減少了化石能源和林業(yè)資源的浪費，降低了成本，市場(chǎng)競爭力強，工藝也較為簡(jiǎn)單，無(wú)二次污染，易于操作；
(2)與傳統的污泥處理方式相比，無(wú)氧條件炭化不僅從根源上避免了污染物二噁英的產(chǎn)生，還實(shí)現了污泥的資源化利用，符合循環(huán)經(jīng)濟的環(huán)保理念；
(3)該高性能污泥活性炭為固體，易于運輸和保存；
(4)實(shí)現城市污泥減量化、無(wú)害化、資源化處置的環(huán)保目標，解決了生物質(zhì)固廢的資源化利用問(wèn)題。
（發(fā)明人：童裳慧）
