本发明涉及一种含钛污泥制备锂离子电池负极材料的方法，属于电极材料领域。
背景技术：
不同的废水处理工艺中污泥的体积占所处理废水的比例是不同的，城市污水活性污泥法处理所产生的污泥体积约占处理水量的0.5%-1%，但是污泥处理设备的投资却占整个污水处理厂的30%-40%，有的甚至超过50%。水和废水处理过程中产生的污泥多采用以下几种方法：一是农业利用，污泥中的氮、磷和钾等是农作物的肥料，但是重金属的存在成为限制农业应用的主要因素；二是填埋，但是占地面积大，填埋场渗滤液对地表水，地下水和土壤存在潜在污染；三是焚烧，但是易造成空气污染，且设备投资和运行费用高；四是投放海洋，但是污泥的高有机负荷是海洋生态不可承受之重，污泥的海洋弃置已被国际公约所禁止。
近年来，钛盐混凝剂作为一种新型水处理剂受到人们的广泛关注。钛盐混凝剂一方面能够替代传统的具有生物毒性的铝盐絮凝剂及使出水着色的铁盐絮凝剂，在混凝预处理阶段有效降低水体浊度和有机物浓度，另一方面，钛盐混凝剂在混凝过程中产生的絮体较大，絮体沉降速度快，能够有效的缩短水力停留时间。但是，混凝过程结束后的污泥处理处置成为一个亟需解决的问题。在市政废水处理领域，将钛盐混凝剂应用于混凝预处理过程，在初沉池可得到含钛污泥，且此部分污泥有机物含量高，含碳资源丰富，污泥中所含钛和碳使含钛水处理污泥具有资源化回收利用的可能。
技术实现要素：
为了解决当前水处理污泥困难的问题，本发明提供了一种可大量利用含钛的水处理污泥制备锂离子电池负极材料的方法，有效地实现了污泥中资源化物质的回用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种含钛污泥制备锂离子电池负极材料的方法，采用以下步骤：
（1）市政废水厂原水投加含钛混凝剂，搅拌后沉降，过滤后获得污泥；
（2）将上述污泥烘干后粉碎得污泥粉末；
（3）将上述污泥粉末煅烧后冷至室温，水洗后烘干，得锂离子电池负极材料。
步骤（1）中，含钛混凝剂的投加量为10-60mg/l；含钛混凝剂选自聚合硫酸钛（pts）或聚合氯化钛（ptc）。
步骤（2）中，烘干温度为60-120℃。
步骤（3）中，煅烧温度为400-800℃，优选为600-800℃；煅烧时间为2-12h，优选为6-12h。
作为优选，步骤（3）中煅烧条件为惰性气体保护。
一种上述方法制备的锂离子电池负极材料，晶型为锐钛型二氧化钛，形状为类球形颗粒状。
所述锂离子电池负极材料的粒径为2-1000nm，优选为10-50nm。
本发明具有以下优点：
本发明可以实现污泥资源化回用，在市政废水处理的初级处理阶段，采用钛盐混凝剂混凝预处理市政废水，混凝过程结束后，经沉淀，得到具有高浓度有机物的浓缩含钛污泥。该污泥在惰性气体保护的条件下进行煅烧，可以保留碳源，避免碳源在煅烧过程中的流失，从而实现更有效的资源化回用。本发明生产的锂离子电池负极材料为细颗粒锐钛矿型二氧化钛，具有高放电容量、高循环稳定性、高倍率性能等优势。
附图说明
图1为锂离子电池负极材料的sem图像；
图2为锂离子电池负极材料的xrd谱图；
图3为锂离子电池负极材料的循环特性；
图4为锂离子电池负极材料的充-放电曲线；
图5为锂离子电池负极材料的倍率特性。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1锂离子电池负极材料的制备。
步骤如下：
（1）市政废水厂原水300rpm搅拌下投加25mg/l的pts，继续搅拌1min，然后40rpm搅拌15min，然后沉降15min，过滤后获得污泥；
（2）将上述污泥100℃烘干后粉碎，得污泥粉末；
（3）将上述污泥粉末按照表1所述条件煅烧后，冷至室温，水洗3次后100℃烘干，得锂离子电池负极材料s1-s10和c1。
表1污泥粉末煅烧条件
实施例2锂离子电池负极材料的制备。
步骤如下：
（1）市政废水厂原水300rpm搅拌下投加30mg/l的ptc，继续搅拌1min，然后40rpm搅拌15min，然后沉降15min，过滤后获得污泥；
（2）将上述污泥100℃烘干后粉碎，得污泥粉末；
（3）将上述污泥粉末按照表1所述条件煅烧后，冷至室温，水洗3次后100℃烘干，得锂离子电池负极材料s11-s20和c2。
实施例3锂离子电池负极材料的形貌和晶型。
用扫描电镜获得实施例1和2中样品s5、s8、c1、s15、s18和c2的sem图像，如图1所示，其中（a）为s5放大22万倍，（b）为s15放大20万倍，（c）为s8放大22万倍，（d）为s18放大20万倍，（e）为c1放大22万倍，（f）为c2放大20万倍。由图可见，600℃和800℃下所得4个产品均为近球形的颗粒，粒径较为均匀，直径约为20nm-30nm；而900℃下所得2个产品为明显杂质负载的不规则形状，粒径较大。
利用粉末x射线衍射仪测定实施例1和2中获得样品的晶型，其xrd谱图如图2所示：400-800℃所得20个样品均呈现锐钛型二氧化钛的特征峰，所得样品均为锐钛型二氧化钛。900℃所得2个样品，有红金石型二氧化钛的特征峰出现，所得样品为锐钛型与红金石型二氧化钛混合晶型。
实施例4锂离子电池负极材料组装电池的表征。
4.1锂离子电池的组装
分别以制备的材料s5、s15和s18为活性物质，superp为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂，按照质量比8:1:1制成工作电极片，以金属锂为对电极，组成cr2025半电池。
4.2循环特性
分别在电流密度为200ma/g和400ma/g条件下测试，以循环数为横坐标，以放电容量为纵坐标得图3，其中（a）为200mag-1条件下，s5、s15和s18的循环特性，（b）为400mag-1条件下，s5、s15和s18的循环特性。如图3所示，在电流密度为400ma/g条件下，s5和s15组成的电池的首次放电容量分别为550mah/g和600mah/g，经过70次循环后，s5和s15组成的电池的放电容量仍然分别高达400mah/g和380mah/g。在电流密度为400ma/g条件下，两个样品组成的电池呈现出相当的放电容量，首次放电容量约为500mah/g，经过100个循环后，放电容量依然高达约330mah/g，继续增加循环，两个电池的放电容量均呈现增大趋势，200个循环后，放电容量约400mah/g。
4.3充放电曲线
将所得电池在电流密度200ma/g，电压范围为0-3v条件下测试其电化学性能。如图4所示，所得s5、s15和s18组成的电池的第1-3次的充/放电曲线，两电池的首次放电比容量分别为1125mah/g、975mah/g和1075mah/g，经过三次充/放电循环后，s5、s15和s18组成电池的放电比容量为440mah/g、400mah/g和475mah/g。
4.4倍率特性
将所得电池在不同电流密度下（100-2000ma/g）测试其电化学性能。如图5所示，s15组成的电池在0.1a/g，0.2a/g，0.5a/g，1.0a/g和2.0a/g下的容量分别为650，470，370，300和250mah/g，且经过上述不同倍率放电，循环超过60次以后，其0.1a/g的放电容量仍高达520mah/g。s5组成的电池的容量略低于s15的，但是经过不同倍率放电且循环60次后，其0.1a/g的放电容量达450mah/g。s5和s15组装的锂离子电池均具有较好的循环稳定性。