一种基于制备高效储能电极材料的剩余污泥资源化利用方法与流程

本发明涉及一种基于制备高效储能电极材料的剩余污泥资源化利用方法，属于环境污染治理与固体废物综合利用技术领域。

背景技术：

剩余污泥是城镇污水处理后产生的一种固体废物，含有病原微生物和多种污染物，如处理不当，很容易对环境造成二次污染。目前，我国污泥产量已超过了7000万吨，其主要处理方式是填埋、堆肥和焚烧。填埋处置不仅占用土地资源，而且产生大量渗滤液和温室气体，会对地下环境介质与填埋堆体稳定性产生一定影响与危害；堆肥处置耗时较长、易产生臭气污染，并且堆肥产品在市场销售方面也存在较大限制；焚烧处置投资较大、管理复杂、焚烧前的脱水费用相对较高，且烟气排放等二次污染较为严重。由此可见，污泥处理存在技术单一、低效、成本高、收益小等问题。然而，除了具有污染特性以外，污泥中还含有较多可回收利用的有机质，有机质中含有的腐植酸可作新型环保储能材料，这是实现其高附加值利用的潜在资源。因此，提出一套简单经济、绿色环保、高值高效利用污泥潜在资源的新工艺、新技术是解决上述问题的重要途径。

基于此，本发明提出一种从污泥中提取腐植酸并用于制备高效储能电极材料的资源化利用方法，在高容量、低成本超级电容器应用方面为污泥的减量化与资源化提供了一种环境友好、节能高效的利用技术与途径，具有良好的发展前景。

技术实现要素：

为解决污泥资源化利用率低的问题，本发明提供了一种基于制备高效储能电极材料的剩余污泥资源化利用方法，用从污泥中提取的腐植酸与氧化石墨烯掺杂制备成复合材料，再将复合材料、导电剂和粘结剂混合制成具有电化学活性材料的电极。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于石墨烯基复合材料高效储能电极材料的污泥资源化利用方法，按照以下步骤进行操作。

a、碱提法提取腐植酸

污泥采回后避光风干，研磨过20目筛，称取一定量过筛后的污泥样品，向其中加入0.2mol/lnaoh溶液，使混合液固液比为1g:50ml，将混合液充分摇匀后缓慢搅拌24h，高速离心分离，上清液用6mol/l盐酸调至ph＝1，静置过夜，沉淀即为腐植酸样品；

b、溶液的制备

利用hummers法从天然石墨合成氧化石墨烯，浓度为10mg/ml；将提取的腐植酸样品制备成浓度为10mg/ml的腐植酸溶液；

c、复合材料的制备

氧化石墨烯的浓悬浮液用超纯水稀释并超声处理2小时，再按照一定质量比与腐植酸溶液进行混合，混合溶液继续超声1小时，加入一定量的还原剂水合肼到超声后的混合溶液中，90℃下搅拌24h，反应结束后将混合液过0.45um水系膜进行抽滤，收集抽滤后的膜上物于培养皿中，放入烘箱，80℃烘干即为腐植酸/石墨烯复合材料，用研钵把样品研磨成粉末后称重装袋以备后续使用；

d、电极的制备

将石墨烯复合材料、导电剂、粘结剂混合，得到电极浆料，将电极浆料涂覆在面积为1cm²正方形泡沫镍上并于120℃干燥4小时，得到具有5mg电活性材料的工作电极。

优选的，所述步骤a中，将污泥样品加入0.2mol/l的naoh溶液，混合液中污泥质量与溶液的固液比达到1g:50ml，经搅拌、离心后，上清液用6mol/l盐酸调节ph值至1。

优选的，所述步骤d中导电剂为乙炔黑，粘结剂为10％的ptfe乳液，将石墨烯复合材料、导电剂、粘结剂按照质量比为80:10:10的比例进行混合。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：采用从剩余污泥中提取腐植酸的方法与技术，不仅原料广泛，并且能够有效提高固体废物利用效率。同时利用腐植酸与石墨烯氧化物制备的电极具有较高的比电容的电极材料，储电能力强，并能够在多次充放电循环后比电容保留率为90％，具有良好的循环稳定性。该电极片绿色环保，使用过程中不会产生有害物质，安全健康，适宜各种电解质，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中复合材料的循环伏安图。

图3为本发明中复合材料的恒流充放电与比电容曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于制备高效储能电极材料剩余污泥资源化利用方法，按照以下步骤进行操作，

a、碱提法提取腐植酸

污泥采回后避光风干，研磨过20目筛。称取一定量过筛后的污泥样品，向其中加入0.2mol/lnaoh溶液，使得混合液固液比为1g:50ml，将混合液充分摇匀后缓慢搅拌24h，高速离心分离，上清液用6mol/l盐酸调至ph＝1，静置过夜，沉淀即为腐植酸样品；

b、溶液的制备

利用hummers法从天然石墨合成氧化石墨烯，浓度为10mg/ml；将提取的腐植酸样品制备成浓度为10mg/ml的腐植酸溶液；

c、复合材料的制备

氧化石墨烯的浓悬浮液用超纯水稀释并超声处理2小时，再按照一定质量比与腐植酸溶液进行混合，混合溶液继续超声1小时。加入一定量的还原剂水合肼到超声后的混合溶液中，90℃下搅拌24h，反应结束后将混合液过0.45um水系膜进行抽滤，收集抽滤后的膜上物于培养皿中，放入烘箱，80℃烘干即为腐植酸/石墨烯复合材料，用研钵把样品研磨成粉末后称重装袋以备后续使用；

d、电极的制备

将石墨烯复合材料、导电剂、粘结剂混合，得到电极浆料，将电极浆料涂覆在面积为1cm²正方形泡沫镍上并于120℃干燥4小时，得到具有5mg电活性材料的工作电极。

化学性能测试

取石墨烯氧化物(go)与腐植酸(ha)的质量比为1:0.5，制成的复合材料rgo-h0.5，之后将复合材料制备成电活性材料涂覆在泡沫镍上作为工作电极，铂片作为对电极，ag/agcl作为参比电极，6mol·l^-1的koh作为电解液。整个电化学测试均是在常温下进行。测量循环伏安图(cv)和恒流充放电曲线(gcd)。

如图2所示，为rgo-h0.5的循环伏安曲线。其分别显示石墨烯样品rgo-h0.5在不同扫描速率1mv·s^-1、2mv·s^-1、5mv·s^-1、10mv·s^-1、20mv·s^-1、50mv·s^-1、100mv·s^-1下的cv曲线，扫描曲线近似矩形，无明显的氧化还原峰，没有发生法拉第反应，电极间的传输性能良好。

如图3所示，为rgo-h0.5的恒流充放电曲线。显示石墨烯样品rgo-h0.5在电流密度为0.05a·g^-1、0.2a·g^-1、0.5a·g^-1下的充放电情况，在6mkoh电解质水溶液中充放电曲线呈现对称三角形，是典型的双电层电容器，比电容最高可达298f/g。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。