一种镧改性污泥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污泥生物炭的制备方法和应用。

背景技术：

磷酸盐作为水体的限制性营养因子，其不合理的排放必然导致水体富营养化。因此，在废水排入生态系统之前去除废水中的磷酸盐对保护水环境至关重要。目前，采用生物处理、化学沉淀、离子交换和吸附法等技术去除废水中的磷酸盐，其中吸附法因其对低浓度磷酸盐吸附性好、成本低、操作简单稳定而被认为是一种有前途的方法。

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，用金属氧化物或氢氧化物改性后，可以选择性的高效吸附磷酸盐。研究表明，镧可以结合生物炭提供许多新的磷酸盐吸附位点，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镧改性以污泥为原材料的制备的生物炭。

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生物炭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生物炭吸附剂去除水中磷酸盐的方法。

本发明的技术方案是，一种镧改性污泥生物炭吸附剂的制备方法，具体步骤为：

将剩余污泥在105℃下烘干，磨碎，过筛；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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，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生物炭吸附剂去除水中磷酸盐的方法。la-bc的最大吸附量是144.62mg/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，吸附剂表面的羟基官能团与磷酸根通过离子交换和静电吸附作用去除水体中磷酸根，且剩余污泥来源广泛，价格低廉，操作简单，对设备要求低，制得的污泥吸附剂性能好。

附图说明

图1不同ph对la-bc吸附效果的影响

图2不同投加量对la-bc吸附效果的影响

图3不同初始磷酸根浓度和温度对la-bc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；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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105℃烘干，得到镧改性污泥生物炭。

ph对la-bc吸附性能的影响：称取20mg的la-bc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＝5.0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；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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105℃烘干，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60mgbc-la-bc，置于15ml浓度为30mg/l的磷溶液中，将ph调节为3.0。如图2，投加量为10mg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；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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105℃烘干，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，吸附容量随着磷酸根浓度的增加而变大。在65℃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；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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105℃烘干，得到镧改性污泥生物炭。

la-bc在最适条件下进行吸附实验，耗尽的la-bc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；取适量污泥粉末置于石英管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下热解3h，得到污泥生物炭；将得到的污泥生物炭和硝酸镧按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105℃烘干，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，以获得床体积浓度突破曲线，以确定la-bc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7.58和9.08h。

技术特征：

1.一种镧改性污泥生物炭的制备方法，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的污泥粉末进行热解，得到污泥生物炭；

步骤3，将步骤2的污泥生物炭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。

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，所述的热解温度为600℃，所述热解时间为3h。

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

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，在105℃温度下烘干。

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，将镧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污泥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生物炭原材料，经过镧改性后，制备出高效经济环保的吸附剂La‑BC。当La‑BC的投加量为10mg,pH为5.0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‑BC处理需要时间为7.58‑9.08h。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具有较强的吸附能力，吸附量最高可达144.62mg/g。

技术研发人员：孙晓杰;李倩;谭知涵;王亚搏;张木喜;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