污泥粉煤灰混合制备活性炭及其性能研究*

张长飞 丁克强 李红艺 刘廷凤 李乾军 张东平

（南京工程学院环境工程系)

0 前言

伴随城市化进程的加快，污水处理量高速增加，产生了大量的副产物污泥。污泥处理问题已成为我国生态环境建设及城市化过程中面临的一个急需解决的重大难题。污泥资源化利用已成为污泥处理领域的前沿研究热点[1-4]。

污泥中含有较多的碳，具备了制备活性炭的客观条件。通过化学处理方法对污泥进行相关的热处理，就可充分利用污泥中的有机质成分，将其转化成含碳的多孔吸附材料。国内外学者对以污泥制备活性炭做了一些基础性的研究[5-9]。

以污泥制备活性炭为污泥资源化利用找到了一条化害为利、变废为宝的出路，可实现经济效益与社会效益同步增长。然而传统的以污泥直接制备的活性炭其得率、碘吸附值、比表面积均难以和市场上的活性炭相媲美，这就使得污泥制备活性炭技术难以工业化应用[10-12]。因此，提高污泥制备活性炭的理化性能，增强活性炭的吸附性，已成为以污泥制备活性炭研究的重点内容。

粉煤灰含有多孔玻璃体和多孔碳粒，具有较大的比表面积，同时还具有一定的活性基团，具有较强的吸附性能。课题组将污泥和粉煤灰按照一定的比例混合通过化学活化法制备活性炭，并研究制备活性炭的最优工艺参数，以期达到较为理想的活化效果，并对污泥活性炭的吸附性能进行研究，为污泥活性炭用于染料废水的处理提供了有用的工程参数。

1 材料及方法

1.1 材料及设备

污泥取自南京市江宁污水处理厂，粉煤灰取自华能金陵电厂，污泥和粉煤灰性质如表1、表2所示。

表1 污泥的工业分析及热值

表2 粉煤灰的理化性质

主要设备：SX-4-10管式电阻炉、SSA-4200孔隙比表面分析仪、鼓风干燥箱、分析天平、数显温控仪、加热带、微型注射泵、空压机、氧气分析仪、分光光度计、水浴恒温振荡器、坩埚等。

1.2 实验方法

将干化后的污泥与粉煤灰按照不同的配比混合均匀，以氯化锌为活化剂制备活性炭，探讨浸渍比、活化温度、活化时间等参数对活性炭的吸附性能的影响。

（1）将污泥放入烘箱，在120℃温度下完全烘干。然后将烘干的污泥放到球磨机上研磨2 h，取出研碎的干污泥，用200目筛子将干污泥筛出。经过碾磨筛分得到的污泥为粉末状。

（2）称取一定量的活化剂放入坩埚，加50 mL去离子水，搅拌至完全溶解。

（3）称取一定量的粉末状污泥和粉煤灰，加入活化剂溶液并不断搅拌，使污泥与活化剂溶液完全混合，浸泡24 h后放入120℃干燥箱中进行干燥。

(4）将浸渍了活化剂的物料放入管式炉的玻璃管内中心部位，旋紧橡皮塞。通入氮气赶走管内空气后打开管式炉，以10℃/min的升温速率将污泥加热至一定温度，活化一段时间后停止加热。然后继续通入氮气，直至炉内温度低于100℃才停止通入氮气。温度降至常温后移出活化产物。

（5）将制得的活化料用蒸馏水反复冲洗，直至洗涤液pH值在6～7的范围内。然后在120℃干燥箱中干燥，称取产物质量确定其得率，放入样品袋中保存。

（6）测定制备活性炭和商用活性炭对污水的吸附性能并进行比较。

污泥粉煤灰制备活性炭工艺流程如图1所示。

图1 化学活化法制备活性炭工艺流程

1.3 测试方法

测试方法：吸附能力以碘吸附力来表征，采用Na2S2O3溶液滴定法测定；COD采用标准方法测定（GB 11914—1989），活性炭比表面积和孔容积采用SSA-4200孔隙比表面分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 污泥粉煤灰配比对活性炭吸附性能的影响

将干污泥与粉煤灰按照不同比例混合，再与质量分数为30%的氯化锌溶液按照一定配比混合制备活性炭，测定其碘值，有关数据见表3。

表3 粉煤灰对活性炭吸附能力的影响

实验结果表明，随着粉煤灰含量的增加，活性炭的吸附能力增强。在相同的实验条件下，不掺入粉煤灰时活性炭碘吸附值为277.84 mg/g；当干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为 10∶3∶3时， 碘吸附值为369.56 mg/g，与前者相比增加了33.01%。然而，再继续增加粉煤灰含量时，活性炭碘吸附值增加不大。

2.2 浸值比对活性炭吸附性能的影响

将干污泥与粉煤灰按照10∶3比例混合，然后再加入不同量的氯化锌，在相同的实验条件下制备活性炭，测量活性炭的碘吸附值，见表4。

表4 活化剂对活性炭吸附能力的影响

实验结果表明，在相同的实验条件下，随着活化剂含量的增加，活性炭吸附能力也增强；当干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为 10∶3∶4时， 碘吸附值为376.17 mg/g；再继续增加活化剂含量时，活性炭碘吸附值增加不明显。

2.3 活化温度对活性炭吸附性能的影响

在干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为 10∶3∶4相同配比情况下，研究活化温度对污泥粉煤灰活性炭吸附能力的影响，见表5。

表5 活化温度对活性炭吸附能力的影响

实验结果表明，当干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为10∶3∶4、活化温度为500℃时，活性炭碘吸附值最大为376.17 mg/g，随着温度增加，活性炭的吸附性能下降。随着温度的升高，氯化锌活性炭结构松弛解体，氯化锌逐渐气化、氧化，失去对炭结构的保护机能，导致活性炭的吸附性能下降。

2.4 活化时间对活性炭吸附性能的影响

在干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为 10∶3∶4相同配比情况下，研究活化时间对污泥粉煤灰活性炭吸附能力的影响，见表6。

表6 活化时间对活性炭吸附能力的影响

实验结果表明，当干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为10∶3∶4、活化温度为500℃时，随着活化时间的增加，活性炭碘吸附值增加，活化时间为80 min时，活性炭碘吸附值为376.17 mg/g。但随着活化时间的增加，活性炭吸附性能有所下降。这是因为，随着反应的进行，活化程度逐渐加深，但当活化时间超过一定值后，扩孔程度逐渐加剧，部分微孔开始扩展为中、大孔，造成活性炭的微孔孔容和比表面积下降。

2.5 污泥粉煤灰活性炭与商用活性炭吸附性能比较

在最佳的污泥粉煤灰工况下，即在干污泥∶粉煤灰∶氯化锌的质量比为10∶3∶4、 活化温度为 500℃、活化时间为80 min的条件下，制备了污泥粉煤灰活性炭，并测量了其比表面积和孔容积。将人工配制的污水作为需要处理的物料，用以比较污泥粉煤灰活性炭和商用活性炭的吸附性能，有关实验数据见表7。

表7 污泥粉煤灰活性炭与商用活性炭的比较

研究表明，污泥粉煤灰活性炭的比表面积和总孔容积分别为459.56 m2/g和0.32 mL/g，分别比污泥活性炭增加了44%和12.5%，污泥粉煤灰活性炭碘吸附值比单纯的污泥活性炭碘吸附值增加了15.4%。然而，污泥粉煤灰活性炭的比表面积和碘吸附值只有商用活性炭的59%和48.2%。在对人工模拟废水净化实验中，污泥粉煤灰活性炭对SS和CODCr的去除率分别为70.89%和76.56%，分别比商用活性炭低27.81%和22.74%。

3 结论

本文以污泥、粉煤灰为原料，采用化学改性方法制备活性炭，研究了影响活性炭吸附性能的因素，得到以下结论。

（1）污泥粉煤灰混合制备活性炭，能够显著提高活性炭的吸附能力。在干污泥∶粉煤灰的质量比为10∶3时，活性炭吸附效果最佳。

（2）制备活性炭的最佳工艺条件：污泥∶粉煤灰∶ZnCl2的质量比为 10∶3∶4， 活化温度为 500 ℃，活化时间为80 min。

（3）在最佳制备工艺条件下，活性炭的比表面积为459.56 m2/g，总孔容积为0.32 mL/g，碘值为376.17 mg/g，对模拟废水具有良好的净化效果。

[1]Francisca M， GomezRico， RafaelFont， etal.Thermogravimetric study of different sewage sludges and their relationship with the nitrogen content[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 2005，74(3)：421-428.

[2]张长飞,葛仕福,赵培涛,等.污泥合成燃料的研制及燃烧特性研究 [J].环境科学学报，2011，31(1)：150-155.

[3]Shen Lilly,Zhang Dong-Ke.An experimental study of oil recovery sewage sludge by low temperature pyrolysis in a fluidized-bed [J].Fuel， 2003， 82(4)： 455－472.

[4]Dominguez A， Menendez J A,Inguanzo M,et al.Gas chromatographic-massspectrometricstudyofthe oil fractions produced by microwave-assisted pyrolysis of different sewage sludges [J].Journal of Chromatography A， 2003， 10(2)： 193－206.

[5]王红亮，司崇殿，郭庆杰.污泥衍生活性炭制备与性能表征 [J].山东化工,2008(2):1－5.

[6]Kamegawa K,Wigmans T,Yoshida K.Preparation and characterization of swelling porous carbon beds [J].Carbon， 1997， 35(5)： 631.

[7]Ozaki J， Endo X， Chiung-Fen Change， et al.Novel preparation method for the production ofmesoporous carbon fiber from a polymer blend [J].Carbon,1997，35(7)：1031.

[8]Jeyaseelan S，Lu G Q.Development of adsorbent/catalyst from municipal wastewater sludge [J].Wat Sci Tech,1996， 34： 499－505.

[9]Tay J H，Chen X G,Jeyaseelan S,et al.Optimisingthe preparation of activated carbon from digested sewage sludge and coconut husk [J].Chemosphere， 2001， 44:45－51.

[10]Tay J H，Chen X G，Jeyaseelan S，et al.A comparative study of an aerobically digested and undigested sewage sludge in preparation of activated carbons [J].Chemosphere， 2001， 44： 53－57.

[11]Alonso A，Ruiz V，Blanco C,et a1.Activated carbo produced from Sasol-Lurgi gasifier pitch and its application as electrodes in supercapacitors[J].Carbon,2006,44:441.

[12]Mora E， Blanco C， Pajares J A， et a1.Chemical activation of carbon mesophase pitches[J].J Coil Interf Sci,2006,298:341.