一种镧改性剩余污泥制备生物炭的制备方法及其应用

本发明属于功能材料和环境水处理领域，特别涉及一种镧改性剩余污泥制备生物炭的制备方法和应用。

背景技术：

磷被认为是工农业生产中不可或缺的元素，但过量磷释放到自然水体中会导致水体富营养化。开发有效的去除水溶液中磷酸盐的技术是很有必要的。迄今为止，已经开发了许多方法，包括生物处理、化学沉淀和吸附法等技术去除废水中的磷酸盐，其中吸附法被认为更经济，尤其是对低浓度磷酸盐。

城市化和工业化的快速发展，导致污水污泥产量越来越多，常规的污泥处置方式(堆肥、填埋)容易造成二次污染。可通过热解将污泥转化为生物炭。近年来，生物炭因其低成本和环境友好的特点而被广泛关注。但原始官能团带负电，去除磷酸盐效率低。研究表明，镧的加入可能导致生物炭表面负电荷的显著减少以及磷酸盐和生物炭表面之间排斥力的降低。此外，因对环境无害，价格便宜，且痕量水平下对磷酸盐仍有特异性亲和力等优点而被应用于生物炭改性吸附磷酸盐。但现有的研究鲜少有以剩余污泥为原材料制备镧改性的生物炭。

技术实现要素：

本发明的目的是解决水体富营养化和现有污泥处置缺陷，提供一种镧改性污泥吸附剂高效除磷生物炭的制备方法，该制备方法操作简单，污泥来源广泛，价格低廉。

本发明的另一目的是提供镧改性污泥吸附剂去除水中磷酸根的方法。

本发明的技术方案是，一种镧改性污泥吸附剂的制备方法，具体步骤为：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

本发明采用的另一个技术方案是：一种利用上述方法制备得到的改性污泥吸附剂去除水中磷酸盐的方法。la-ds的最大吸附量是152.77mg/l。固定床实验中可有效去除磷酸盐。

本发明方法的优点：本发明改性污泥吸附剂的制备方法，用于去除水中磷酸盐。因为镧对水中的磷酸根有较强的亲和性，吸附剂通过配体交换和静电吸附及络合作用去除水体中磷酸盐，且剩余污泥来源广泛，价格低廉，操作简单，制得的污泥吸附剂性能好。

附图说明

图1不同ph对la-ds吸附效果的影响

图2不同投加量对la-ds吸附效果的影响

图3不同初始磷酸盐浓度和温度对la-ds吸附效果的影响

图4再生循环实验

图5固定床柱实验

图6吸附剂制备流程图

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

ph对la-ds吸附性能的影响：称取20mg的la-ds置于15ml浓度为30mg/l的磷酸盐溶液，用0.1mhcl和0.1mnaoh调节ph分别为3、5、7、9和11，放入摇床震荡24h达到吸附平衡。混合液经0.22μm水系膜过滤固液分离，装入聚乙烯瓶内密封，用于分析滤液中剩余磷酸根离子的浓度。如图1，ph＝3.0时吸附效率最大是99.06％。

实施例2：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

投加量的确定：分别称取4、8、10、15、20、25、30、40、50、和60mgla-ds，置于15ml浓度为30mg/l的磷酸盐溶液中，将ph调节为3.0。如图2，投加量为8mg时吸附能力最大。

实施例3：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

将20mgbc-la-bc放入装有15ml磷酸盐溶液(ph＝3)的聚乙烯离心管中，初始磷浓度设定为5、10、15、20、30、50、70、80、100、150、250、300和400mg/l，将上述混合物在15、25、35、45和65℃下震荡24h达到吸附平衡，混合液经0.22μm水系膜过滤固液分离，装入聚乙烯瓶内密封，用于分析滤液中剩余磷酸根离子的浓度。如图3，吸附曲线符合freundlich模型，且吸附容量随着磷酸根浓度的增加而变大。在35℃时，吸附能力最佳。

实施例4：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

再生实验：la-ds在最适条件下进行吸附实验，耗尽的la-ds可以在50℃下使用0.1mnacl溶液浸泡5h进行再生，如图4所示，在六个再生循环后，吸附剂质量没有减少，吸附能力有所减弱，这主要是因为po4^3--p和镧基生物炭之间强烈的相互作用。

实施例5：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末和硝酸镧按1:2的比例混合置于40ml超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，在50℃烘干；随后将镧改性污泥置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到镧改性污泥生物炭。

固定床实验：使用城镇污水进行固定床实验，以确定la-ds的连续吸附能力。将不同量(1g、2g)的吸附剂填充到固定床中，在5ml/min的向上流速下，研究床载量对除磷的影响。每隔一定时间收集柱流出样品。突破点被认为是0.5mg/l。如图5所示，达到突破点所需时间为9.58和53.75h。

技术特征：

1.一种镧改性剩余污泥制备生物炭的制备方法，具体步骤为：

步骤1，将剩余污泥烘干，磨碎，过筛；

步骤2，将步骤1的污泥粉末和硝酸镧按比例混合置于超纯水中，室温下用磁力搅拌器搅拌浸泡，静置，烘干；

步骤3，将步骤2的镧改性污泥进行热解制备生物炭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的烘干温度为105℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，污泥粉末和硝酸镧的比例为1:2，超纯水为40ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，在50℃温度下烘干。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的热解温度为600℃，所述热解时间为3h。

6.一种权利要求1所述改性生物炭在处理磷酸盐废水中的应用，将改性生物炭投加到磷酸盐废水中，使溶液ph为3，投加量为20mg吸附磷酸盐。

技术总结
本发明公开了一种镧改性剩余污泥制备生物炭的制备方法及其应用，属于功能材料和环境水处理领域，用来去除市政污水中的磷酸盐。此发明以剩余污泥为原材料，经过镧改性后，再热解制备出高效经济环保的吸附剂La‑DS。当La‑DS的投加量为8mg,pH为3.0时吸附容量最大。在用固定床柱去除市政污水的实验中，在5mL/min的流速下，1‑2g的La‑DS处理需要时间为9.58‑53.75h。利用上述方案制备得到的镧改性污泥生物炭不仅使剩余污泥资源化而且对磷酸盐有较强的吸附能力，吸附量最高可达152.77mg/g。

技术研发人员：孙晓杰;李倩;张木喜;王亚搏;谭知涵;张红霞;张文杰;李海翔
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2021.07.23