一种规整化铁碳微电解填料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境工程材料技术领域，具体涉及一种规整化铁碳微电解填料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微电解技术是一种应用电化学原理处理废水的工艺，也称内电解法，利用阳极(铁)与阴极(碳)之间1.2V的电位差对污染物进行处理，特别针对有机物浓度大、高毒性、高色度、难生化废水的处理，可大幅削减废水色度和C0D，提高其可生化性；此外，微电解技术还可吸附、还原各种重金属离子，因此，微电解技术广泛应用于印染、造纸、化工、电镀、印刷线路板、制药等各类工业废水的处理。
[0003]传统铁碳微电解填料是将铁肩和活性碳按比例物理混合，构成铁碳固定床，但因铁粒(阳极)与碳粒(阴极)物理分离，微电解产生的电流密度小，废水处理效果差；铁粒表面易生锈钝化，造成填料层板结，形成沟流，需频繁反冲洗填料层或更换填料，增加了微电解工艺的复杂性。因此，抗板结微电解填料的研制，显得十分必要。近年来，国内铁碳微电解填料的生产与市场销售发展快速，产品主要由金属铁粉、活性碳、有色金属催化剂以及粘结剂组成，经混合、成型和烧结制成，填料已实现规整化，克服了填料板结问题。但是，仍存在如下问题:填料原料成本高，产品售价高、水处理成本上升；烧结温度低，填料结构松散，废水处理时损耗快；常规铁碳填料生产直接采用市售的金属铁粉，市售金属铁粉因表面氧化而被钝化，直接应用于填料中，活性低，电流密度小。
[0004]造纸污泥是处理造纸废水残剩的固体废物，每生产1吨纸，会产生含水量80%的污泥约1.2吨，造纸污泥成分复杂、含水量高、处理难度大，其处置费用会占到造纸废水处理总费用的50%以上，造纸污泥处置已成为困扰造纸企业经营的难题。
[0005]造纸污泥中生物质丰富，有机物含量50?65%，有机质主要为纤维素、半纤维素、木质素等高分子有机物，无机物多为碳酸钙、滑石等填料。
【发明内容】
[0006]针对现有铁碳微电解填料的高成本及技术缺陷，本发明公开了一种规整化铁碳微电解填料及其制备方法，所述制备方法以价廉易得的铁精粉和烟煤为主要原料，造纸污泥为造孔剂，经成型、高温焙烧处理，制得铁碳一体、孔隙发达的铁碳微电解填料，铁阳极活性高，在保证高效净化功能的同时，彻底解决钝化与板结等问题，并降低填料生产成本。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种规整化铁碳微电解填料的制备方法，所述制备方法以铁精粉、烟煤煤粉为原料，以烘干粉碎后造纸污泥为造孔剂，以铜粉为催化剂，并添加粘结剂，混合均匀后压制成型，并烘干获得干球填料，通过高温焙烧将所述干球填料中的所述铁精粉直接还原生成阳极金属铁，制备获得铁碳微电解填料。
[0008]进一步地，所述制备方法包括:铁精粉的制备、烟煤煤粉的制备、烘干粉碎后造纸污泥的制备、催化剂的制备、压制成型以及高温焙烧步骤。
[0009]进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)铁精粉的制备:所述铁精粉是将炼铁用铁精粉过200目筛后获得；
(2)烟煤煤粉的制备:所述烟煤煤粉是将烟煤进行粉碎过200目筛后获得，所述烟煤煤粉中固定碳的质量百分含量大于80% ；
(3)烘干粉碎后造纸污泥的制备:收集造纸废水中的固体废物，得到湿造纸污泥，将所述湿造纸污泥置于80?120°C下烘干，粉碎后过100目筛，即得到所述烘干粉碎后造纸污泥；
(4)催化剂的制备:所述催化剂为过200目筛后获得的铜粉；
(5)压制成型:按重量百分比计，取所述铁精粉40?70份、所述烟煤煤粉10?30份、所述烘干粉碎后造纸污泥8?15份、所述催化剂1?3份以及粘结剂5?8份；将上述重量份的铁精粉、煤粉、烘干粉碎后造纸污泥、催化剂以及粘结剂混合均匀，得到混合料，往所述混合料中加水混匀，并控制所述混合料中含水率为10?15%，将加水混匀后的混合料放入高压压球设备中压制成型，得到湿球填料，将所述湿球填料于75?90°C下烘干，得到干球填料；
(6)高温焙烧:将步骤(5)得到的所述干球填料置于与空气隔绝的高温炉中，在1230?1280°C下高温焙烧1?3小时，隔绝空气冷却到400°C以下，取出自然冷却后，制得所述铁碳微电解填料。
[0010]进一步地，步骤(5 )中所述粘结剂为硅酸钠、膨润土中的一种或两种。
[0011]—种规整化铁碳微电解填料，根据所述一种规整化铁碳微电解填料的制备方法制备获得，所述铁精粉直接还原生成的所述阳极金属铁的粒度小于10 μ m，所述铁碳微电解填料以铁为阳极，以碳为阴极，所述阳极的铁与所述阴极的碳的质量比为(3.2?8.2): 1。
[0012]进一步地，所述铁碳微电解填料具有多孔蜂窝状规整化结构，外观呈椭球形，直径为10?30mm，所述铁碳微电解填料内部孔隙率为32?55%。
[0013]本发明的有益技术效果:
(1)本发明的填料中阳极金属铁是由铁精粉直接还原而生成，金属铁的粒度细、分布密度大，与阴极碳接触机率高，并且由铁精粉直接还原生成的所述阳极金属铁表面没有氧化层，电化学腐蚀活性高。
[0014](2)造孔剂的制备原料为造纸污泥固体废物，本发明将造纸污泥作为造孔剂，造纸污泥中有机质在高温焙烧阶段被完全分解气化，导致制备获得的铁碳微电解填料含有许多细小微孔，孔隙发达、比表面积大；并且填料整体呈多孔蜂窝状结构，内部空隙率达32?55%，适宜的孔隙率有利于增大气-固-液三相的接触面积，并且可以强化微电解反应的传质过程。
[0015](3)高温焙烧步骤，干球填料经1230?1280°C下高温焙烧后，填料中少量的铁与碳发生反应，形成少量碳渗于金属铁中的碳化铁化合物(Fe3C)，碳化铁化合物可提高阳极(铁)与阴极(碳)之间的电子转移效率，提高铁碳微电解填料的内电解效率。
[0016](4)本发明中造孔剂的添加并结合1230?1280°C的高温焙烧使本发明的制备的微电解填料具有铁碳一体化、微孔架构式合金结构，填料强度高，废水处理时不易粉化，填料使用寿命长，不板结，不钝化，处理效果稳定。
[0017](5)本发明的填料在使用过程中，金属铁会不断消耗，碳及无机粘结剂会从填料表面脱落，流入下一段废水处理工艺，能继续起到吸附和生物载体的作用。
[0018](6)本发明的填料主要原料来源广，价格低，并能利用固体废物造纸污泥，填料产品成本低，生产工艺简单，易于工业化生产，有良好的应用前景。
【附图说明】
[0019]图1为本发明一种规整化铁碳微电解填料的制备流程示意图；
图2为本发明一种规整化铁碳微电解填料样品外观图；
图3为本发明一种规整化铁碳微电解填料截面的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0022]实施例1
一种规整化铁碳微电解填料的制备方法，所述制备方法以铁精粉、烟煤煤粉为原料，以烘干粉碎后造纸污泥为造孔剂，以铜粉为催化剂，并添加粘结剂，混合均匀后压制成型，并烘干获得干球填料，通过高温焙烧将所述干球填料中的所述铁精粉直接还原生成阳极金属铁，制备获得铁碳微电解填料。
[0023]本发明使用的铁精粉是铁矿山中含铁矿物经选矿过程提纯而得到的产品，主要成分为各种氧化铁；而常规的铁碳微电解填料的制备技术中使用市售铁粉，市售铁粉在储存过程中容易发生氧化。
[0024]本发明所述铁碳微电解填料中阳极金属铁与常规填料中阳极金属铁相比有以下优点:首先，由于本发明填料中的阳极金属铁由铁精粉在高温焙烧过程直接还原而新生成，因此表面没有氧化，活性强，而常规技术制备填料过程中添加的市售铁粉即为该填料的阳极金属铁，市售铁粉在储存过程中会发生氧化，生成一层氧化铁膜，降低填料中阳极金属铁与阴极碳之间的电子转移效率，因而作为阳极金属铁时表面活性低；其次，本发明制备获得的填料中的阳极金属铁的粒度更细，小于10 μ m，而常规填料采用的金属铁粉的粒度多在50?200 μπι，所以，填料中铁含量相同时，本发明填料中的阳极金属铁因粒度小，阳极铁的数量大，与阴极碳接触机率高，因而本发明制备的铁碳微电解填料的内电解活性更强。
[0025]所述制备方法包括:铁精粉的制备、烟煤煤粉的制备、烘干粉碎后造纸污泥的制备、催化剂的制备、压制成型以及高温焙烧步骤。
[0026]所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)铁精粉的制备:以炼铁用铁精粉为原料，过200目筛，得到所述铁精粉，备用；
(2)烟煤煤粉的制备:将烟煤进行粉碎，过200目筛，得到所述烟煤煤粉，备用，所述煤粉中固定碳的质量百分含量大于80% ；
(3)烘干粉碎后造纸污泥的制备:收集造纸废水中的固体废物，得到湿造纸污泥，将所述湿造纸污泥置于80?120°C下烘干，粉碎后过100目筛，即得到所述烘干粉碎后造纸污泥；
本发明中烘干温度不可高于120°C，造纸污泥中有机质含量高，若在高于120°C进行高温烘干(例如在300°C )，污泥中的有机质可能会挥发出来，造成有机质性质的改变，另外，高温下烘干也会造成能源浪费；
本发明将烘干后的造纸污泥过100目筛的是获得适宜孔隙率需要控制的一个重要参数。因适宜的孔隙率有利于增大气-固-液三相的接触面积，强化微电解反应的传质过程。经100目筛分后的污泥粉在高温焙烧后，可于填料中留下大小合适的孔隙，但若筛分粒度过粗(即目数过小)，会造成后续造纸污泥粉在填料中分布不均匀，进而造成孔隙分布不匀；当筛分粒度过细(即目数过大)，虽然污泥粉会与填料原料均匀混合，但焙烧后填料的空隙率会过小。
[0027](4)催化剂的制备:所述催化剂为过200目筛获得的铜粉；
(5)压制成型:按重量百分比计，取所述铁精粉40?70份、所述烟煤煤粉10?30份、所述烘干粉碎后造纸污泥8?15份、所述催化剂1?3份以及粘结剂5?8份；将上述重量份的铁精粉、煤粉、烘干粉碎后造纸污泥、催化剂以及粘结剂混合均匀，往所述混合料中加水混匀，得到混合料，并控制所述混合料中含水率为10?