一種泥基球狀活性炭及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于活性炭制備領(lǐng)域，涉及一種泥基球狀活性炭及其制備方法與應(yīng)用，具體涉及一種利用污泥制備高比表面積、低表觀密度的高性能泥基球狀活性炭及其制備的方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]吸附是廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)和環(huán)境治理的分離過程。高比表面積、低表觀密度的吸附材料能顯著提高分離效率、降低分離設(shè)備成本，此外良好的吸附材料還要求有良好的球形度和適宜的顆粒尺寸。粒狀活性炭因其穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)異的吸附性能廣泛用作毒害組分分離的吸附材料和非均相反應(yīng)的催化劑載體等。受制于煤炭、木材等傳統(tǒng)原料較高的成本，對(duì)于使用量大、操作成本敏感的過程(例如污水處理過程)，市售活性炭的價(jià)格偏高。為此大量研宄采用污水處理中產(chǎn)生的污泥作為活性炭生產(chǎn)的原料制備泥基活性炭。近十年，我國公開的與污泥制備活性炭相關(guān)專利超過50件，其內(nèi)容主要涉及對(duì)不同的污泥對(duì)象(如市政污泥、化工污泥、造紙污泥和印染污泥等)經(jīng)不同的預(yù)處理(如微生物發(fā)酵、添加助劑改性等)后，采用熱解或微波輻射等方法將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳，其中活化方法包括采用水蒸汽的物理活化和采用ΚΜη04、Κ0Η和2冗12等的化學(xué)活化。然而除專利CN102367695公開了一種以含油污泥制備超級(jí)活性炭的方法外，現(xiàn)有的污泥制備活性炭技術(shù)所得產(chǎn)品的性能普遍低于市售活性炭。為提高活性炭的吸附性能需優(yōu)化活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，提尚比表面積。
[0003]對(duì)于大型吸附裝置，例如水處理中的填料塔，采用低表觀密度的吸附填料能有效減少填料層的自重，從而簡化支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，降低裝置成本。然而，由于污泥中無機(jī)物殘留量遠(yuǎn)高于煤炭等市售活性炭原料，故泥基活性炭的表觀密度較大。為降低產(chǎn)品表觀密度，通常需要對(duì)污泥中的沙石進(jìn)行分離，但這將提高制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種利用污泥制備泥基球狀活性炭的方法，本發(fā)明所述方法采用污泥包裹于棉球上作為活性炭制備的母體，通過預(yù)干燥、熱解、酸洗、水洗和干燥獲得高性能的泥基球狀活性炭。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法制備得到具有獨(dú)特地類似中空結(jié)構(gòu)的泥基球狀活性炭；所述泥基球狀活性炭相對(duì)于采用現(xiàn)有方法制得的粒狀活性炭，具有更大的比表面積、更低的表觀密度、更好的球形度。
[0006]本發(fā)明的再一目的在于提供上述泥基球狀活性炭的應(yīng)用。本發(fā)明所述泥基球狀活性炭可以用作吸附分離的填料或非均相反應(yīng)的催化劑載體，由此實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，緩解污泥處置的環(huán)境壓力。
[0007]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種泥基球狀活性炭的制備方法，其包括如下步驟:將污泥與活化劑混合浸漬制成漿料，將所得漿料與棉球混合包裹得到活性炭母體，然后將所得活性炭母體進(jìn)行熱解，將熱解產(chǎn)物經(jīng)酸洗、水洗后烘干得到泥基球狀活性炭。
[0009]上述泥基球狀活性炭的制備方法，具體包括如下步驟:
[0010](I)將污泥與活化劑按比例混合均勻，靜置過夜浸漬得到漿料；
[0011](2)將步驟(I)所得漿料與棉球混合，使?jié){料包裹在棉球表面，獲得活性炭母體；
[0012](3)將所得活性炭母體置于無氧的加熱爐內(nèi)預(yù)干燥，然后程序升溫至熱解溫度并維持熱解時(shí)間，使活性炭母體完成炭化和活化過程，熱解完成后自然冷卻至室溫得到熱解固體產(chǎn)物；
[0013](4)將步驟(3)熱解固體產(chǎn)物浸入酸性溶液，充分振蕩洗滌后瀝干，再用水洗滌至中性，得到活性炭半成品；
[0014](5)將所得活性炭半成品烘干至恒重，自然冷卻后得到泥基球狀活性炭。
[0015]所述污泥為污廢水處理后產(chǎn)生的污泥，可選自于市政污水處理污泥、印染廢水處理污泥、制藥廢水處理污泥或造紙廢水處理污泥；所述污泥優(yōu)選固定碳含量不少于5%的污泥；
[0016]所述活化劑優(yōu)選為ZnCl2;
[0017]步驟⑴中污泥與活化劑的比例為污泥中干基質(zhì)量:活化劑質(zhì)量=1: (I?5);污泥與活化劑優(yōu)選的比例為污泥中干基質(zhì)量:活化劑質(zhì)量=1:3 ;
[0018]所述棉球?yàn)槊藁碇频那蝮w，棉球直徑按實(shí)際應(yīng)用中所需的活性炭吸附填料的大小而定；所述棉球優(yōu)選的直徑為3?4_ ；
[0019]由于棉球具有相互交聯(lián)的纖維狀結(jié)構(gòu)，故漿料中的固體物質(zhì)難以滲入棉球內(nèi)部而被截留于棉球外層，漿料中的液體溶液則滲透棉球內(nèi)部；
[0020]步驟(3)所述預(yù)干燥的溫度優(yōu)選為110?130°C ；
[0021]步驟(3)所述程序升溫的速率優(yōu)選為10°C /min ;
[0022]步驟(3)所述熱解溫度為500?800 °C，優(yōu)選為500 °C ；
[0023]步驟(3)所述熱解時(shí)間為I?3h，優(yōu)選為2h ；
[0024]步驟(4)所述酸性溶液優(yōu)選為體積分?jǐn)?shù)不大于5 %的稀鹽酸溶液；
[0025]步驟(5)所述烘干優(yōu)選的烘干溫度為110?130°C。
[0026]根據(jù)本發(fā)明所述制備方法得到一種泥基球狀活性炭。所述泥基球狀活性炭具有類似中空結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部為疏松的纖維狀結(jié)構(gòu)，外層為致密的多孔吸附層。
[0027]所述泥基球狀活性炭可用作吸附分離的填料或非均相反應(yīng)的催化劑載體。
[0028]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0029](I)本發(fā)明方法采用污泥包裹于棉球外的預(yù)處理工藝，使熱解產(chǎn)物具有區(qū)別于現(xiàn)有方法獲得的活性炭產(chǎn)物的特征性類似中空結(jié)構(gòu)；本發(fā)明所述泥基球狀活性炭具有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu):外層為致密的多孔介質(zhì)，內(nèi)部為疏松的纖維束。
[0030](2)相對(duì)于現(xiàn)有泥基活性炭制備方法得到的活性炭顆粒，本發(fā)明所述泥基球狀活性炭具有更大的比表面積。本發(fā)明所述方法將棉球混合于污泥中，由于棉球具有相互交聯(lián)的纖維狀結(jié)構(gòu)，故污泥中的固體物質(zhì)被阻隔在外層，而液體則被棉球吸收。該過程類似于漿料向棉球內(nèi)部過濾，漿料中的固體在棉球表面形成濾餅，而液體滲透進(jìn)入棉球內(nèi)部，由此形成污泥固體主要分布于外層而內(nèi)部富含漿液的母體。熱解時(shí)，母體內(nèi)部的漿液氣化后通過外層固體脫離，由此在固體中形成供氣體離開的孔洞，這將有利于得到高度多孔性的活性炭。
[0031](3)本發(fā)明所述泥基球狀活性炭具有內(nèi)部空隙率高的類似中空結(jié)構(gòu)，因而具有更低的表觀密度；同時(shí)，由于多孔吸附層集中位于泥基球形活性炭的表面，由此避免了實(shí)際操作中難以利用活性炭內(nèi)部空間的缺陷，顯著提高單位質(zhì)量活性炭利用率。
[0032](4)本發(fā)明所述方法可獲得球形度良好、大小適宜的泥基球狀活性炭。在本發(fā)明所述方法中棉球作為污泥的支撐模板，對(duì)產(chǎn)物的形貌具有決定性作用。棉花能方便地捻制成不同大小的棉球，進(jìn)而應(yīng)用本發(fā)明方法能制得相應(yīng)尺寸的泥基球狀活性炭產(chǎn)物。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明所述泥基球狀活性炭的制備方法的工藝流程圖。
[0034]圖2為本發(fā)明所述泥基球狀活性炭的外觀圖。
[0035]圖3為按現(xiàn)有方法制得的泥基活性炭顆粒的外觀圖。
[0036]圖4為本發(fā)明所述泥基球狀活性炭的掃描電鏡圖。
[0037]圖5為各活性炭的性能比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0039]本發(fā)明所述泥基球狀活性炭的制備方法，工藝流程圖如圖1所示，所述方法可分為預(yù)處理一一熱轉(zhuǎn)化一一后處理三個(gè)階段，具體包括如下步驟:
[0040](預(yù)處理階段):
[0041](I)將污泥與活化劑按比例混合均勻，靜置過夜浸漬得到漿料；
[0042](2)將步驟(I)所得漿料與棉球混合，使?jié){料包裹在棉球表面，獲得活性炭母體；
[0043](熱轉(zhuǎn)化階段):
[0044](3)將所得活性炭母體置于無氧的加熱爐內(nèi)預(yù)干燥，然后程序升溫至熱解溫度并維持熱解時(shí)間，使活性炭母體完成炭化和活化過程，熱解完成后自然冷卻至室溫得到熱解固體產(chǎn)物；
[0045](后處理階段):
[0046](4)將步驟(3)熱解固體產(chǎn)物浸入酸性溶液，充分振蕩洗滌后瀝干，再用水洗滌至中性，得到活性炭半成品；
[0047](5)將所得活性炭半成品烘干至恒重，自然冷卻后得到泥基球狀活性炭。
[0048]實(shí)施例1:采用廣州市獵德污水處理廠市政污泥制備高性能的泥基球狀活性炭。
[0049]污泥取自廣州獵德污水處理廠脫水離心機(jī)，其中污泥工業(yè)分析結(jié)果以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為:含水量為78.4%、灰份55.9%、揮發(fā)份38.2%、固定碳5.9%。污泥直接作為制備泥基球狀活性炭的原