一种脱灰生物炭复合电极及其制备方法及应用

本发明涉及污染物处理，尤其涉及一种脱灰生物炭复合电极及其制备方法及应用。

背景技术：

1、随着医药行业的发展，药品和个人护理品(ppcps)通过人体排泄、生产过程废弃、医疗过程废弃，甚至违法、过期药品流入市场等不同途径进入环境，作为一类新兴污染物引发了人们的广泛关注。吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物来处理废水的一种常用方法，由于吸附法具有成本低、操作简单、去除效率高等优势，开发绿色高效的ppcps吸附剂成为了研究热点。但自然水体中的ppcps往往以痕量水平存在，由于浓度梯度较小，吸附驱动力不足，常规吸附方法往往难以实现其高效快速的去除。

2、吸附剂的选择是处理污染物有效程度的关键所在。近年来，由污泥高温热解得到的污泥生物炭材料得到了广泛研究，不仅可以实现大量固废污泥的资源化利用，在吸附去除ppcps污染物方面也具有很大潜力。污泥生物炭还可用作电极去除极性污染物，利用污染物自身的电荷特性将在水溶液中的ppcps进行富集，提高其吸附速率和容量。但是污泥生物炭中灰分含量约占70％～80％，灰分的存在不仅大大限制了吸附性能，还使其导电性受到很大限制。

3、因此，开发一种解决污泥生物炭吸附性能上的局限性和水中痕量ppcps的去除效率低的问题的脱灰生物炭复合电极将具有重要的应用意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种脱灰生物炭复合电极及其制备方法，解决污泥生物炭吸附性能上的局限性和水中痕量ppc ps的去除效率低的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将污泥前驱体烘干、粉碎、筛分得到干污泥粉末，惰性氛围下在管式炉内热解得到污泥生物炭；

5、s2、将污泥生物炭与双酸洗剂混合，然后经过恒温振荡器后离心、洗涤至ph恒定，干燥得到脱灰生物炭；

6、s3、将所述脱灰生物炭与导电剂、粘结剂混合，加入溶剂制成电极浆液，将集流体浸润在浆液中，然后过滤、烘干和压制得到脱灰生物炭电极复合材料。

7、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s1中，所述污泥前驱体为取自污水处理厂的初沉污泥、活性污泥、脱水污泥中的一种或几种，所述污泥生物炭热解温度范围为600-800℃，热解时间为1-3h，升温速率为8-12℃/min。

8、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s2中，所述双酸洗剂为盐酸、氢氟酸的混合物。

9、本发明制备方法的进一步改进在于，所述双酸洗剂为1mol/l的hcl溶液和10％的hf溶液，可以将生物炭表面包含si在内的大部分无机矿物脱除，大幅提高其吸附性能和导电性。

10、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s2中，所述污泥生物炭的固体质量与所述双酸洗剂溶液的体积之比为1：5，酸液使用量过少会酸洗不彻底，过量则会造成资源浪费。

11、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s3中，所述导电剂是乙炔炭黑、导电炭黑、碳纳米管、石墨中的至少一种。

12、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s3中，所述粘结剂是聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇中的至少一种。

13、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s3中，所述溶剂是乙醇、丙酮、去离子水中的至少一种。

14、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s3中，所述集流体在电极浆液中室温浸润15-20h。

15、本发明制备方法的进一步改进在于，步骤s3中，所述集流体是泡沫镍、碳毡、碳纤维和碳布中的至少一种。

16、本发明制备方法的进一步改进在于，得到的所述脱灰生物炭的脱灰率≥60％。

17、本发明还提供一种脱灰生物炭复合电极材料，该脱灰生物炭复合电极材料由上述任一段所述的脱灰生物炭复合电极的制备方法制得。

18、本发明还提供一种脱灰生物炭复合电极材料在废水处理中的应用。

19、本发明的有益效果在于：本发明以污泥为前驱体，通过管式炉热解制备了一种污泥生物炭，将污泥生物炭使用hcl和hf双酸溶液进行脱灰处理，可以将生物炭表面包含si在内的大部分无机矿物脱除，从而大幅提高其吸附性能和导电性。然后通过化学涂覆法将脱灰生物炭负载于集流体得到脱灰生物炭复合电极并用于模拟废水中ppcps的去除，该方法大大增加了对ppcps的去除效率。本发明采用的制备方法简便、成本低廉、操作简单、环境友好，不仅能实现固体废物污泥的有效资源化利用，还能促进ppc ps污染物的高效去除。本发明为解决污泥生物炭吸附性能上的局限性和水中痕量ppcps的去除效率低的问题提供了新方案。

技术特征：

1.一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述污泥前驱体为取自污水处理厂的初沉污泥、活性污泥、脱水污泥中的一种或多种；所述污泥生物炭热解温度范围为600-800℃，热解时间为1-3h，升温速率为8-12℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述双酸洗剂为1mol/l的hcl溶液和10％的hf溶液。

4.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述污泥生物炭的固体质量与所述双酸洗剂溶液的体积之比为1：5。

5.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述导电剂是乙炔炭黑、导电炭黑、碳纳米管、石墨中的至少一种；所述粘结剂是聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇中的至少一种；所述溶剂是乙醇、丙酮、去离子水中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述集流体是泡沫镍、碳毡、碳纤维和碳布中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述集流体在电极浆液中室温浸润15-20h。

8.根据权利要求1所述的一种脱灰生物炭复合电极的制备方法，其特征在于：步骤s2中，得到的所述脱灰生物炭的脱灰率≥60％。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的脱灰生物炭复合电极的制备方法制得的脱灰生物炭复合电极材料。

10.一种权利要求9所述的脱灰生物炭复合电极材料在废水处理中的应用。

技术总结
本发明公开了一种脱灰生物炭复合电极及其制备方法，包括：S1、将污泥前驱体烘干、粉碎、筛分得到干污泥粉末，惰性氛围下在管式炉内热解得到污泥生物炭；S2、将污泥生物炭与酸洗剂混合，然后经过恒温振荡器后离心、洗涤至pH恒定，干燥得到脱灰生物炭；S3、将所述脱灰生物炭与导电剂、粘结剂混合，加入溶剂制成电极浆液，将集流体浸润其中，过滤、烘干和压制得到脱灰生物炭复合电极材料。一方面本发明采用的制备方法简便、成本低廉、操作简单、环境友好，实现固体废物污泥的有效资源化利用；另一方面制备得到的脱灰生物炭复合电极材料提高了吸附性能和导电性，从而促进PPCPs污染物的高效去除。

技术研发人员：赵迎新,金若彤,曹戈,李晨曦,邱潇洁,宋延星
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11