一种废泡沫塑料与城市污水厂脱水污泥混合制备炭吸附材料的方法

1.本发明涉及污水处理厂污泥利用技术领域，具体涉及一种污水处理厂脱水污泥与废泡沫塑料混合制备活性炭的方法。


背景技术：

2.污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，作为污水处理的副产品，通常含有大量的有毒、有害和对环境产生负面影响的物质，若不加以安全处理和处置将会造成严重的二次污染。但同时污泥中含有大量的有机物、腐殖质等可利用资源，因此，探讨并实施城市污水厂污泥处理处置和资源化新途径，对解决污泥污染问题具有重要意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种污水处理厂脱水污泥与废泡沫塑料混合制备污泥活性炭的方法；本发明利用泡沫塑料碳氢含量高，炭的含量远高于污泥，并且挥发份含量大的特点，将泡沫塑料掺入污泥中制备活性炭，能有效改善污泥热解炭孔结构分布，可提高活性炭的吸附性能；该方法避免了污水处理厂污泥和废泡沫塑料对环境造成的二次污染，同时实现了废弃物的资源综合利用。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
5.一种废泡沫塑料与城市污水厂脱水污泥混合制备炭吸附材料的方法，包括以下步骤：（1）将废泡沫塑料与98%浓硫酸按一定比例混合，在160-180℃的温度下进行磺化处理，处理时间为90-120min，以无白色粒状物出现，处理完的物料为略带弹性、淡褐色至黑色的浆糊状物质为终点；（2）将按质量比为5:1-1:1混合的城市污水厂脱水污泥和磺化处理后的废泡沫塑料的混合物料放入质量百分比浓度为10-50wt%的活化剂溶液中浸渍，然后真空抽滤脱水；（3）将步骤（2）中脱水后的混合物料在惰性气氛下热处理，热处理温度为500-700℃，热处理时间为30min-150min；（4）将步骤（3）所得样品用盐酸清洗，去除样品表面杂质，再用去离子水洗至中性；烘干后研磨过筛，得最终产品。
6.上述步骤（1）中的废泡沫塑料和步骤（2）中的城市污水厂脱水污泥使用前依次进行干燥、破碎处理。
7.上述步骤（1）中，废泡沫塑料与浓硫酸的质量比为1:3-1:5。
8.上述步骤（2）中，城市污水厂脱水污泥和磺化处理后的废泡沫塑料中质量比为3:1-1:1。
9.上述步骤（2）中，选取zncl2作为活化剂，活化剂溶液浓度为30-50wt%，浸渍时间为
10-15小时。
10.上述步骤（3）中，惰性气氛为氮气气氛，氮气流速为 0.8-1.5 l/min，升温速率为8-10℃/min。
11.上述步骤（3）中，热解温度为500-600℃，保温时间为30-100min。
12.上述步骤（4）中，酸洗所用酸为10-20wt%盐酸。
13.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明提供的污水处理厂脱水污泥与废泡沫塑料混合制备污泥活性炭的方法以污水处理厂处理后的脱水污泥和废泡沫塑料为原料，经过预处理后，通过活化剂对原料进行浸渍活化，然后放入高温管式炉内高温炭化，从而制得污泥活性炭。本发明在制备污泥活性炭的原料中掺杂了碳氢含量高、挥发份含量大的废泡沫塑料，能有效改善污泥热解炭孔结构分布，提高活性炭的吸附性能，改善了污泥热解炭性能指标；本发明方法避免了污水处理厂污泥和废泡沫塑料对环境造成的二次污染，同时实现了废弃物的资源综合利用；本发明实现了废泡沫塑料高附加值利用，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与环保效益显著。
附图说明
14.图1是热解温度对活性炭碘吸附值的影响。
15.图2是炭化温度对活性炭碘吸附值的影响。
16.图3是zncl2浓度对碘值的影响。
17.图4是物料比对碘值的影响。
具体实施方式
18.以下结合具体实施例对本发明的污水处理厂干化污泥制备污泥活性炭的方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
19.本发明的原理为：先将城市污水厂的脱水污泥和废泡沫塑料进行预处理，然后按一定比例混合，经过浸渍活化、高温炭化制备出污泥活性炭，所制得的污泥活性炭具有丰富的孔隙结构和良好的吸附性能，可用于污水厂的深度处理，变废为宝，以废制废，实现污泥和废泡沫塑料的资源化利用。
20.实施例1实施例中，所使用的污泥取自上海市某污水处理厂的剩余污泥，泡沫塑料是以聚苯乙烯为基本组分并含有大量气泡的聚合物材料（未经磺化处理），由某食品包装拆卸收集而来。污泥和泡沫塑料的成分及元素分析结果见表1：表1原料的成分及元素含量（质量分数）实施例提供一种废泡沫塑料与城市污水厂脱水污泥混合制备炭吸附材料的方法，包括以下步骤：
1）将污泥和废泡沫塑料放入105℃的恒温干燥箱内烘干，然后破碎研磨，得到干燥样品，备用。
21.2）将收集的废泡沫塑料与98wt%浓硫酸按质量比1:4混合，在180℃条件下进行磺化处理，处理时间为120min，得到磺化处理后的泡沫塑料。
22.3）按照干污泥与泡沫塑料质量比为5:1-1:1，在5只200ml烧杯中分别装入10g干污泥与泡沫塑料的混合物料；4）往5只烧杯中分别加入浓度为10wt%，20wt%，30wt%，40wt%，50wt%的zncl2溶液各100ml；搅拌浸渍12h，真空抽滤脱水，将脱水后的物料放入管式炉中，温度分别设置为500、550、600、650、700℃，在通入保护气体氮气的条件下分别热处理30、60、90、120、150min，得到半成品，氮气流速为1.0 l/min；5）将半成品用20wt%盐酸清洗，再用蒸馏水清洗至中性，再放入105℃的恒温干燥箱中烘干12h，得到最终的污泥活性炭成品。
23.性能测试和分析结果一、污泥活性炭碘值的测定污泥活性炭碘吸附值按照gb/t 12496.8-2015《木制活性炭试验方法碘吸附值的测定》二、污泥活性炭的bet分析将干燥研磨后的样品称取1mg左右，放入比bet测试仪中，测定样品的比表面积和平均孔径。
24.三、讨论选取热解温度、保温时间、 zncl2浓度、物料比为研究因素，碘吸附值为考察评价目标，以单一污泥和单一泡沫塑料制备的活性炭为对照组。具体实验设计如下：在热解温度600℃，保温时间60min，物料比1:1的条件下，zncl2浓度（质量分数）：10wt%、20wt%、30wt%、40wt%、50wt%，考察zncl2浓度对活性炭碘吸附值的影响，图3；在zncl2浓度40wt%，保温时间60min，物料比1:1的条件下，热解温度：500℃、550℃、600℃、650℃、700℃，考察热解温度对活性炭碘吸附值的影响，图1；在zncl2浓度40wt%，热解温度550℃，物料比1:1的条件下，保温时间：30min、60min、90min、120min、150min，考察炭化时间对活性炭碘吸附值的影响，图2；在热解温度550℃，保温时间90min， zncl2浓度40wt%的条件下，物料比：5:1、4:1、3:1、2:1、1:1，考察物料比对活性炭碘吸附值的影响，图4；1）zncl2浓度对碘值的影响通过图3可以发现，随着 zncl2浓度从10wt%到40wt%的不断增加，活性炭的碘吸附值也随之上升，但是当 zncl2浓度增加到50wt%时，活性炭的碘吸附值则出现了下降。这是因为zncl2在整个污泥热解过程中起脱水、缩合、润涨等作用，使污泥表面形成碳的骨架及孔结
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，随着 zncl2浓度的增大，脱水、缩合作用增大，活性炭产生发达的孔隙结构，吸附性能好；但是当 zncl2浓度过高时，会造成过渡活化，过量zncl2会堵塞部分孔隙，从而使吸附能力下降。
25.2）热解温度对碘值的影响通过图1可以发现，随着热解温度的升高，活性炭碘吸附值先上升后下降，炭化温
度为550℃时，碘吸附值最大。分析原因，当温度低于550℃时，zncl2对原料的造孔作用较弱，污泥活化不充分，不能形成发达的孔隙结构，因此碘吸附值较小；当温度高于550℃时，活性炭中碳骨架会被烧毁，破坏了已形成的孔结构，形成无吸附能力的大孔。
26.3）保温时间对碘值的影响通过图2可以发现，保温时间从30min增加到90min，活性炭碘值呈现上升趋势，但是当保温时间增加到120min时，活性炭碘值开始下降，分析原因，活化剂发挥活化作用需要一定时间，当保温时间较短吋，zncl2未能与污泥中有机质充分反应，生成的孔结构较少，碘吸附值较低；当保温时间过长时，已经生成的孔隙结构可能会因为长时间的高温活化而出现扩充、坍塌，从而导致有吸附能力的孔减少，碘吸附值下降。
27.4）物料比对碘值的影响通过图4可以发现，废塑料的添加对制备活性炭的性能有显著影响，随着泡沫塑料量的不断增加，活性炭碘吸附值也随之提高。这是因为泡沫塑料中的炭含量要远高于污泥，泡沫塑料中炭的含量大约是污泥的4倍，在污泥中添加泡沫塑料可以弥补城市污泥中碳含量不足的缺点，所以添加废泡沫塑料有助于提高制备的活性炭的吸附性能。
28.四、结论综上所述，最佳制备工艺为：热解温度550℃，保温时间90min，zncl2浓度40wt%，物料比1:1，在此条件下，以单一污泥、单一泡沫塑料、污泥与泡沫塑料混合所制备的活性炭碘值均最大，分别为553.41mg/g、660.04mg/g、751.43mg/g，此三种活性炭分别记为wac，sac，wsac。活性炭的bet分析见表2。
29.表2 活性炭bet分析表综上所述，本发明提供的污水处理厂脱水污泥与废泡沫塑料混合制备污泥活性炭的方法以污水处理厂处理后的脱水污泥和废泡沫塑料为原料，以zncl2为活化剂对原料进行浸渍活化，然后放入高温管式炉内高温炭化，从而制得污泥活性炭。本发明所制备的活性炭碘吸附值为751.43mg/g，比表面积可达671.63m2/g，表明本发明的污泥活性炭具有一定的吸附性能，可应用于污水处理领域。同时，本发明的活性炭原料来源于污水处理厂的脱水污泥和废泡沫塑料，对污泥和废泡沫塑料进行资源化利用，减少二次污染。本发明的污水处理厂脱水污泥与废泡沫塑料混合制备污泥活性炭的方法，操作简便，对废弃资源进行了二次利用，具有较好的推广价值。
30.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定。本领域的技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求的保护范围。