一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法及其应用方法与流程

文档序号：11102066阅读：343来源：国知局

本发明属于污水处理吸附材料领域，更具体地说，涉及一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法及其应用方法。

背景技术：

随着工农业的飞速发展，各类含重金属的污水排放量不断增加，水体污染愈发严重。重金属具有高致毒性、生物富集性和不可降解性，水体重金属污染问题若得不到及时控制，将会造成重金属在生物体内的富集，随着食物链传播，对人体健康带来极大的危害。同时，随着大量含氮、磷营养物质的生活废水和工业污水进入自然水体，水体富营养化程度加深，藻类大量繁殖，严重地破坏了水体生态环境，并对人体健康和水生生物的生存带来了巨大的威胁。

废水除磷和重金属的常用方法为化学沉淀法、生物法和吸附法，吸附法由于操作简单、吸附效率高且可实现对重金属的去除与回收双重功效等优点，被广泛应用于水体重金属离子和磷的去除。煤基活性炭作为用于废水除磷和重金属的主要商用吸附剂，由于其价格较高，且吸附饱和后回收再生产成本高昂，故该类吸附剂及吸附方法较难在水处理领域得以大规模应用。

碱浸剩余污泥是酸洗污泥经过碱浸工艺后产生的工业废渣，排放量大，属于工业废弃物，如何合理有效地处理及利用该类废弃物一直是一个急需解决的问题。碱浸剩余污泥具有一般粘土的特性，内含较高的Na、Fe和Ca等元素，具有较强的离子交换作用，且该污泥表面呈多孔结构，具有一定的比表面积，具备作为吸附剂的潜质。该污泥经过碱浸工艺处理后仍含有一定的重金属铅和锌，煅烧热处理前后，污泥内重金属的浸出毒性均满足《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)的限值要求。根据相关研究报道，对赤泥(生产氧化铝过程中产生的一种碱性尾矿渣，非污泥)进行煅烧热活化处理可较好地提升其吸附性能。将赤泥在600℃焙烧30min，当赤泥的加入量为500mg/L时，其对Cd²⁺、Zn²⁺和Cu²⁺的吸附去除率均高达98％(三井石化.日本公开特许公报：昭和50-01[P].1975)。赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，其中含有较多含量的铝氧化物成分，碱浸剩余污泥主要来源于利用碱浸法处理钢丝污泥酸洗工艺产生剩余污泥得到的残渣态物质，与赤泥的产生来源完全不同，与赤泥成分差异明显，含有较多的铁氧化物和钙等氧化物，含较少的铝、硅等成分。

中国专利申请(申请号201510707753，授权公告号CN105251470A)公开了一种用于处理磷和重金属的吸附剂及其制备方法。该吸附剂采用铁盐溶液和锂硅粉制成均匀混合液，然后调节pH静置分离和干燥制备而得。该法制备工艺及操作较复杂，成本较高。中国专利申请(申请号201410089318.1，授权公告号CN103831080A)公开了一种用于回收废水中重金属离子的镍渣吸附材料及其制备方法。该方法以工业废弃镍渣和分析纯氢氧化铝为主要原料，经预处理、压制成型、煅烧和水热处理后制得吸附回收重金属的镍渣吸附材料，该材料具有孔隙率高、比表面积大等特点，对Pb²⁺、Cu²⁺等重金属离子具有很好的吸附性能。但是，该吸附材料的制备方法较繁琐，工艺程序复杂，成本较高。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有的吸附剂存在制备成本较高、在环境中作用效果不稳定、易产生二次污染等问题，本发明的目的之一是提供一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂，用碱浸剩余污泥按照除杂、水洗烘干、研磨过筛、热处理改性等步骤制备得到，改变了污泥的内部结构，增大其比表面积，使其具有更好的吸附性能。

针对现有的吸附剂存在制备成本较高的问题，本发明的另一目的是提供一种简便的制备方法，将污泥进行高温煅烧热处理，碱浸剩余污泥的孔径变大，微孔结构进一步增加，提高了吸附剂的孔隙率和比表面积。

本发明还提供了该吸附剂的应用方法，用于水中重金属离子的去除，以丰富吸附剂的种类并降低吸附剂的生产成本，同时实现资源化利用工业废弃物碱浸剩余污泥的目标。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法，包括以下步骤：

(1)将碱浸剩余污泥加入水中搅拌混匀，离心除杂后回收污泥；

(2)将经过步骤(1)处理过的污泥水洗至洗出液呈中性，然后将污泥干燥处理后进行研磨过筛；

(3)在400～600℃条件下，将经过步骤(2)处理过的污泥煅烧1-2h，得到所述的吸附剂。

优选地，所述步骤(1)中搅拌速度为100-300r/min，时长10-20min。

优选地，所述步骤(2)中干燥温度为100～105℃，干燥时间为3～5h；污泥研磨后过80～200目筛。

优选地，所述步骤(3)煅烧时，以10℃/min速度升温至预定温度后开始计时煅烧时间。

一种磷和重金属的吸附剂，由碱浸剩余污泥按照上述的方法制备得到。

上述磷和重金属吸附剂用于处理废水的方法，其步骤为：将废水pH调节至3～7，加入上述的吸附剂，20～40℃条件下振荡1～2h。

将本发明的吸附剂用于水中重金属离子的去除，步骤如下：取30～50mL、浓度为100～300mg/L重金属离子溶液于100mL锥形瓶中，pH为3～7，向溶液中加入0.2～1g吸附剂，于20～40℃温度的恒温水浴振荡器中振荡1～2h，取上清液，利用ICP-AES测定重金属浓度，根据溶液中重金属离子的初始浓度C₀和吸附后溶液中重金属离子浓度C_e计算重金属的吸附去除率。

将本发明的吸附剂用于水中磷的去除，步骤如下：取30～50mL、含量为1～6mg/L含磷溶液于100mL锥形瓶中，pH为3～7，向溶液中加入0.2～1g吸附剂，于20～40℃温度的恒温水浴振荡器中振荡1～2h，取上清液，利用分光光度法测定磷含量，根据溶液中磷的初始含量C₀和吸附后溶液中磷含量C_e计算磷的吸附去除率。

优选地，吸附剂与废水的比例为1:(30～50)。

优选地，废水中含有重金属离子Pb²⁺、Zn²⁺或Cu²⁺。

本发明的原理：碱浸剩余污泥内部具有较多的孔隙结构，能够提供足够多的活性吸附位点，将该污泥进行高温煅烧热处理后，污泥内部的大部分结晶水和结构水被脱除，使得其晶体结构被破坏，骨架结构发生明显的变化，因此，吸附剂的孔径变大，微孔结构进一步增加，提高了吸附剂的孔隙率和比表面积，具有较好的吸附性能。进一步的，随着吸附容量的增大和反应活性的增强，该污泥吸附剂对重金属离子和磷具有较好的吸附去除能力。

一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法，将上述制得的吸附剂用于废水中磷和重金属的吸附固定，可有效解决污水中磷和重金属的污染问题，是一种优良的吸附材料。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用热处理的方法改性碱浸剩余污泥，本发明特定的处理条件改变了污泥的内部结构，增大其比表面积，使其具有更好的吸附性能；

(2)本发明的吸附剂能够实现对废水中磷和重金属离子的去除，且总体吸附量较高，对含重金属污水与含磷废水的治理和水环境的改善具有重要的实际意义；

(3)本发明所述方法工艺简单，生产成本较低廉，便于推广应用；

(4)本发明的制备原料碱浸剩余污泥为工业废弃物，且排放量大，实现工业废弃物的资源化利用，为以废治废提供了新思路。

附图说明

图1为本发明中制备磷和重金属高效吸附剂的流程示意图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明所述除磷和重金属离子的吸附剂的制备方法及其应用作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于实施例。

下面实施例所用的碱浸剩余污泥含有大量的Na、Fe和Ca等元素，具有一般黏土的基本特性。所述的含铅废水为用分析纯试剂Pb(NO₃)₂配制成500mg/L的铅储备液，利用去离子水稀释至指定浓度后使用；所述的含锌废水为用分析纯试剂ZnSO₄·7H₂O配制成500mg/L的锌储备液，利用去离子水稀释至指定浓度后使用；所述的含Cu废水为用分析纯试剂Cu(NO₃)₂.2H₂O配制成500mg/L的锌储备液，利用去离子水稀释至指定浓度后使用；所述的含磷废水为用分析纯试剂KH₂PO₄配制成10mg/L磷储备液，利用去离子水稀释至指定浓度后使用。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)将碱浸剩余污泥加入去离子水中，在200r/min的转速下均匀搅拌20min，高速离心除杂后回收污泥；

(2)将经过步骤(1)处理过的污泥水洗至洗出液呈中性，并将其置于100℃干燥5h，然后将干燥处理后的污泥研磨过100目筛；

(3)程序升温炉以10℃/min速度升温至400℃后开始计时，对将经过步骤(2)处理过的污泥进行煅烧1h，于密封干燥环境下保存制得的吸附剂。

分别取1g本实施例中制备的吸附剂置于50mL、含浓度均为100mg/L的铅、锌、铜三种重金属离子的废水和50mL、浓度为5mg/L的含磷废水中，废水pH值为5，于20℃的恒温水浴振荡器中振荡2h，取上清液测其重金属浓度和磷含量，计算去除率。吸附效果表明，本实施例中制备的吸附剂对铅、锌、铜三种重金属离子的去除率分别为85.1％、88.3％和90.2％，对正磷酸根的吸附去除率为92.6％，相比于其他吸附材料，该吸附剂可同时实现对重金属铅、锌和铜以及磷的高效去除。

本发明的一种用碱浸剩余污泥制备磷和重金属吸附剂的方法同时解决了两个问题：

1.热处理改性碱浸剩余污泥制得高效吸附剂，用于含磷与含重金属离子废水治理，可有效解决污废水中磷和重金属的污染问题。

2.碱浸剩余污泥为高排放量的工业废弃物，将其用作吸附材料处理含磷和含重金属废水，以废治废，实现了资源化利用工业废弃物的目的。

实施例2