污泥制备活性炭及其应用研究进展_1

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1、污泥制备活性炭及其应用研究进展　　[摘要]分析污泥的来源与组分，对污泥制备活性炭的国内外研究现状及实际应用进行研究，提出了污泥制备活性炭目前存在的问题。　　作为污水处理的副产物，城市污泥是一类特殊的固体废物，其产生量大，成分复杂，由胶体、无机颗粒、有机残片、细菌菌体等组成，是组成非常复杂的非均质体，含有60%～80%的有机物，被世界水环境组织命名为“生物固体”，表明了污泥具有资源化的潜质。将污泥制成活性炭是很有发展前景的污泥资源化的处置方式之一，它在保证了污泥不会造成二次污染的基础之上，还能制得活性炭吸附材料。　　从元素的角度来讲，污泥中的有机物主要包含碳、氢、氧、氮、硫、氯等

2、六种元素。从化学组成的角度来讲，污泥中的有机物组成包含毒性有机物、有机生物质和有机官能团化合物和微生物。污水处理厂的剩余活性污泥的主要组成成分为有机物，粗蛋白质大概占60%～70%，碳水化合物大约占25%左右，其无机灰分的含量仅为5%左右[4]。　　污泥基活性炭的活化方法主要有物理活化、化学活化和化学-物理联合活化等。　　物理活化法　　物理活化法主要包括直接热解法和气体活化法。　　直接热解法　　直接热解法是指在氮气气氛的保护作用下，将污泥置于电阻炉中，将污泥加热至热解温度后保持恒温一段时间，再经后续处理得到粉末状污泥基吸附剂。Fan等[5]利用天津市污水处理厂产生的厌氧消化污泥

3、为原材料，用氮气作保护气，以15℃/min的升温速率升至500℃，并在此温度下直接热解3h，制得的污泥基活性炭主要以中孔和大孔为主。新加坡学者Lu等[6]采用直接热解法制备污泥基吸附剂，由研究可以得出，在较低的温度范围内，随着热解温度的升高与停留时间的延长，污泥基吸附剂的比表面积也呈现出逐渐增加的趋势；当温度在550～650℃之间时，随着热解温度的升高，其比表面积却呈现出了下降的趋势；当热解温度超过850℃以后，比表面积逐渐减小。　　气体活化法　　气体活化法制备污泥基活性炭是指先对污水污泥直接进行高温热解，然后利用水蒸汽、CO2、O2等活化气体，在600～1200℃下对碳进行弱

4、的氧化作用，疏通材料的孔径，使其发生造孔与扩孔的现象，进而形成碳基吸附剂的多孔微晶结构。有研究结果表明，热解温度、热解时间和气体流量会影响污泥基吸附剂的孔径分布，改变活化气体中CO2与H2O比例可以控制吸附剂的孔径分布。　　Jindarom等利用污泥制备活性炭吸附材料，采用二氧化碳气体作为保护气体，于750℃下活化30min，升温速率为20℃/min，制得的污泥基活性炭的比表面积为61m2/g。Méndez等利用污水处理厂产生的厌氧与好氧消化污泥作为原材料，采用气体活化法制备污泥基活性炭。在隔绝空气的条件下采用氮气作为保护气，在450℃下热解1h，制得的污泥基活性炭的比表面积分

5、别为16m2/g和81m2/g。为了进一步提高污泥基活性炭的吸附性能，在N2和O2的混合气流下，以10℃/min的升温速率升温至275℃，并在此温度下活化4h，其中，O2与N2的体积比为1：29，流量为150mL/min。碳化-气体活化后的污泥基活性炭的比表面积分别增加至102m2/g和105m2/g。由此实验结果可以得出，气体活化法可以显著的提高两种污泥基活性炭的比表面积值，其中对于厌氧消化污泥制备的污泥基活性炭吸附性能的提高效果更为显著。　　化学活化法　　化学活化法对于制备高比表面积污泥基吸附剂具有显著优势，目前采用的化学活化剂主要有H2SO4、H3PO4、ZnCl2、Na

6、OH和KOH等。在污泥的热解工艺中，由于污水污泥的来源和特性不同，活化剂的选择显得非常重要，选择出合适的化学活化剂不仅可以提高污泥基吸附剂的产率与碳含量，还可以缩短制备过程中的活化时间，更可以大幅度的提高污泥基吸附剂的吸附性能。　　硫酸活化法　　目前，国内外大多数的采用硫酸作为活化剂制备污泥基吸附剂研究均采用先将污泥在各种不同浓度的H2SO4溶液中浸渍24～48h，然后在N2氛围下热解一定时间，热解温度对制得的污泥基吸附剂的比表面积会产生一定的影响。　　Bagreev等采用肥料厂产生的含水率为5%的污泥作为原材料，于300℃下制备的污泥基吸附剂比表面积值很低，仅为26m2/g；

7、当活化温度增加到600℃时，污泥基吸附剂的比表面积有了明显的提高，由原来的26m2/g增加到了170m2/g。Zhang等[13]利用有机污泥制备污泥基吸附剂，当热解温度为650℃、热解时间为60min时，实验测得污泥基吸附剂的比表面积为408m2/g，为直接热解法制备的污泥基吸附剂的倍。由二者的对比可以得出，污水污泥的来源和特性对于污泥基吸附剂的比表面积有很大的影响，采用H2SO4作为化学活化法制得的污泥基吸附剂吸附性能明显优于直接热解法和气体活化法。　　氯化锌活化法　　采用ZnCl2作为