CN104258808A - 一种提高污泥生物炭比表面积的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高污泥生物炭比表面积的方法及***，将干燥后的污泥与破碎后的聚苯乙烯废塑料按比例进行搅拌混合并加热，使聚苯乙烯废塑料在污泥中实现熔融缩体并相对均匀附着在污泥颗粒表面，然后直接压制成型；将压制成型后的污泥颗粒送入热解炭化***进行炭化处理，可获得良好孔隙结构的污泥热解生物炭。本发明的优点在于：利用聚苯乙烯废塑料来提高污泥热解生物炭比表面积，与同等条件下污泥单独热解生物炭相比，所得的热解生物炭比表面积可增加100～400%，本发明制备的生物炭过渡孔向内部延伸，液相扩散性能优越,提高了其对大分子有机物的吸附性能，大大提升了污泥生物炭的利用价值。
Description
技术领域
本发明公开一种提高污泥生物炭比表面积的方法及***，按国际专利分类表(IPC)划分属于污泥资源综合利用技术领域，尤其是涉及利用污泥与聚苯乙烯废塑料混合制备高比表面积的污泥生物炭。
背景技术
近年来，由于污泥热解生物炭在农业和环境中的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用，使其成为土壤学和环境科学的研究热点。国内外研究表明:生物炭含有大量植物所需的营养元素，可以促进土壤养分的循环和植物的生长；生物炭一般呈碱性，施用生物炭可以降低土壤的酸度和有毒元素含量，如铝和重金属对植物的毒性；生物炭表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能团，它们产生的表面负电荷使生物炭具有较高的阳离子交换量(CEC)，施用后可以提高土壤的CEC；生物炭对农药等有机污染物和重金属等有很强的吸附能力，可用于污染土壤的修复；生物炭具有高度的孔隙结构，可以增加土壤的空隙度和保水能力，降低土壤容重，有利植物根系生长；又因其具有较高的化学和生物学稳定性，较强的抵抗微生物分解的能力，增强了土壤的固碳作用，减少二氧化碳向大气的再释放。此外，如果将生物炭，用于吸附废水中的有机物及营养元素N、P、K等也将是一个污泥资源化利用的良好途径。鉴于具有以上诸多优点，生物炭被称为“黑色黄金”。
我国城市污泥水污泥含有大量有机质和纤维木质素等，碳含量高，是制备生物炭的廉价原料。但由于污泥中灰份含量高，成份复杂，热解产生的生物炭比表面积较低，影响了污泥生物炭的使用性能。为改善污泥生物炭的孔隙结构，提高比表面积，众多研究者进行了探索，主要集中于两方面，一是在热解炭化过程中添加化学试剂，如双氧水、碱金属、ZnCl2等，如专利CN101974359A等；二是将热解生物炭进一步进行物理活化或化学活化，以获得良好的孔隙结构与吸附性能，如专利CN1644495A、CN103495399A和CN102936012A等。上述工艺方案普遍存在流程复杂、易造成环境二次污染等不足，而且对于低端应用领域的生物炭而言制造成本偏高。
另一方面，当今社会，塑料制品已广泛应用于生产和生活的各个领域，聚苯乙烯作为4 大通用塑料之一，其生产量和消费量呈逐年上升趋势。聚苯乙烯作为一种高分子材料，具有毒性较低、熔点较高、可塑性强、生产简便等特点，是制备一次性快餐盒的首选材料。然而，由于聚苯乙烯制造的餐盒降解周期极长，在普通环境下，它的降解周期长达200年左右，在漫长时间里，依然保持高分子形态不变。因此，难以降解的一次性塑料餐盒正是造成“白色污染”的一大元凶。传统处理聚苯乙烯废塑料的方法主要是填埋法和焚烧法，但由此易造成占用耕地、污染水源及排放大量有毒废气等一系列问题。因此，研究聚苯乙烯废塑料的回收利用具有十分重要的意义。目前，有关污泥结合聚苯乙烯制备生物炭的内容国内外鲜有研究与报道。
发明内容
针对现有污泥热解制备生物炭处理工艺的不足，本发明提出了一种提高污泥热解生物炭比表面积的方法及***，利用聚苯乙烯废塑料来解决污泥热解炭比表面积较小，孔隙结构差的问题，同时实现提高污泥生物炭比表面积和处理聚苯乙烯废塑料的双重目标。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其实现步骤包括：
（1）将聚苯乙烯废塑料进行破碎处理；
（2）将污水厂机械脱水产生的污泥进行干燥处理；
（3）将干燥后的污泥与破碎后的聚苯乙烯废塑料按比例进行搅拌混合并加热，使聚苯乙烯废塑料在污泥中实现熔融缩体并相对均匀附着在污泥颗粒表面，然后直接压制成型；
（4）将压制成型后的污泥颗粒送入热解炭化***进行炭化处理，获得良好孔隙结构的污泥生物炭。
步骤（1）中的聚苯乙烯废塑料可以包括工业聚苯乙烯废塑料与民用聚苯乙烯废塑料，尤其适用于城市生活垃圾中的泡沫快餐盒等废塑料；废塑料破碎粒度<2cm。
步骤（2）中的污泥干燥处理后含水率 <40%，干燥方式可以是直接干燥或间接干燥。
步骤（3）中的聚苯乙烯废塑料占混合物的质量比控制为10～60%，加热温度控制为100℃～180℃，混合时间控制为3～15 min， 加热方式为间接加热；混合物直接压制成型，成型形状为圆球型、圆柱形或椭圆型，粒径控制为3mm～35mm。
步骤（4）中的热解炭化***为现有污泥热解炭化***，不需要做任何改造。
前述制备的污泥生物炭具有较多的过渡孔向内部延伸，液相扩散性能优越，所述污泥生物炭用作生物炭肥料或水处理吸附剂，也可以进一步活化处理后制备高性能污泥活性炭。
一种提高污泥生物炭比表面积方法的***，主要由输送装置、破碎装置、缓冲料仓、定量给料装置、加热混合装置、成型制粒装置以及热解炭化***组成，其中
1#输送装置出口与破碎装置入口连接，破碎装置出口与2#输送装置入口连接，2#输送装置出口与缓冲料仓入口连接，缓冲料仓出口与定量给料装置入口连接，前述1#输送装置、破碎装置、2#输送装置、缓冲料仓及定量给料装置形成聚苯乙烯废塑料输送线，其中的定量给料装置出口与加热混合装置入口连接；
3#输送装置出口与干燥装置入口连接，干燥装置出口与4#输送装置入口连接，前述3#输送装置、干燥装置及4#输送装置形成污泥输送线，其中4#输送装置出口与加热混合装置入口连接；
加热混合装置出口与成型制粒装置入口相连，成型制粒装置出口与5#输送装置入口连接，5#输送装置出口与热解炭化***入口连接。
进一步，所述的1#输送装置为皮带输送机或板式输送机；2#输送装置为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机；3#输送装置与4#输送装置为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机；5#输送装置为皮带输送机；所述的定量给料装置为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机。
进一步，所述的破碎装置为普通塑料剪切式破碎机；干燥装置可以是回转窑式干燥机、水热法脱水反应釜、流态化干燥机、真空干燥机或圆盘式干燥机。
进一步，所述的加热混合装置为外热式回转窑、外热式固定床搅拌混合机；成型制粒装置可以为对辊成型机或挤出造粒机。
本发明的优点在于：利用聚苯乙烯废塑料来提高污泥热解生物炭比表面积，与同等条件下污泥单独热解生物炭相比，所得的热解生物炭比表面积可增加100～400%；而且，制备的生物炭过渡孔向内部延伸，液相扩散性能优越, 提高了其对大分子有机物的吸附性能，大大提升了污泥生物炭的利用价值。本发明工艺简单实用，投资少，成本低，具有良好的经济效益与环境效益。
附图说明
图1是本发明工艺装置流程图。
图中：1. 1#输送装置，2. 破碎装置，3. 2#输送装置，4. 缓冲料仓，5. 定量给料装置，6. 3#输送装置，7.干燥装置，8. 4#输送装置，9. 加热混合装置，10. 成型制粒装置，11. 5#输送装置，12.热解炭化***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其实现步骤包括：
（1）将聚苯乙烯废塑料进行破碎处理；
（2）将污水厂机械脱水产生的污泥进行干燥处理；
（3）将干燥后的污泥与破碎后的聚苯乙烯废塑料按比例进行搅拌混合并加热，使聚苯乙烯废塑料在污泥中实现熔融缩体并相对均匀附着在污泥颗粒表面，然后直接压制成型；
（4）将压制成型后的污泥颗粒送入热解炭化***进行炭化处理，获得良好孔隙结构的污泥生物炭，可用作生物炭肥料或水处理吸附剂，也可以进一步活化处理后制备高性能污泥活性炭。
本发明步骤（1）中的聚苯乙烯废塑料可以包括工业聚苯乙烯废塑料与民用聚苯乙烯废塑料，尤其适用于城市生活垃圾中的泡沫快餐盒等废塑料；废塑料破碎粒度<2cm。步骤（2）中的污泥干燥处理后含水率 <40%，干燥方式可以是直接干燥或间接干燥。步骤（3）中的聚苯乙烯废塑料占混合物的质量比控制为10～60%，加热温度控制为100℃～180℃，混合时间控制为3～15 min， 加热方式为间接加热；混合物直接压制成型，成型形状为圆球型、圆柱形或椭圆型，最大粒径控制为3mm～35mm。步骤（4）中的热解炭化***为现有污泥热解炭化***，不需要做任何改造。
请参阅图1，一种提高污泥生物炭比表面积方法的设备***，设备的连接方式如下：1#输送装置1出口与破碎装置2入口连接，破碎装置2出口与2#输送装置3入口连接，2#输送装置3出口与缓冲料仓4入口连接，缓冲料仓4出口与定量给料装置5入口连接，定量给料装置5出口与加热混合装置入9口连接；3#输送装置6出口与干燥装置7入口连接，污泥干燥装置7出口与4#输送装置8入口连接，4#输送装置8出口与加热混合装置9入口连接；加热混合装置9出口与成型制粒装置10入口相连，成型制粒装置10出口与5#输送装置11入口连接，5#输送装置11出口与热解炭化***12入口连接。1#输送装置1为皮带输送机或板式输送机；2#输送装置3为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机；3#输送装置6与4#输送装置8为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机；5#输送装置11为皮带输送机。定量给料装置5为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机。破碎装置2为普通塑料剪切式破碎机。干燥装置7可以是回转窑式干燥机、水热法脱水反应釜、流态化干燥机、真空干燥机或圆盘式干燥机。加热混合装置9为外热式回转窑和外热式固定床搅拌混合机；成型制粒装置10可以为对辊成型机或挤出造粒机。热解炭化***12为现有常规污泥热解炭化***，不需要进行技术改造。
本发明的***设备装置说明如下，以下各装置均可以在市场直接购买：
1. 1#输送装置，为皮带输送机或板式输送机；
2. 破碎装置，为普通塑料剪切式破碎机；
3. 2#输送装置，为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机；
4. 缓冲料仓，普通料仓，上部为圆柱，下部为锥形或上部为方形，下部为棱锥形；
5. 定量给料装置，为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机；
6. 3#输送装置，为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机；
7.干燥装置，回转窑式干燥机、水热法脱水反应釜、流态化干燥机、真空干燥机或圆盘式干燥机；
8. 4#输送装置，为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机；
9.加热混合装置，为外热式回转窑或外热式固定床搅拌混合机；
10. 成型制粒装置，为对辊成型机或挤出造粒机；
11. 5#输送装置，为皮带输送机；
12.热解炭化***，为现有常规污泥热解炭化***，如固定床式、移动床式或回转窑式炭化炉；
本发明公开了一种提高污泥生物炭比表面积的方法及***，该方法的特点在于：将干燥后的污泥与破碎后的废塑料按比例进行搅拌混合并加热，使废塑料在污泥中实现熔融缩体并相对均匀附着在污泥颗粒表面，然后直接压制成型；将成型后的污泥颗粒送入热解炭化***进行炭化处理，获得良好孔隙结构的污泥生物炭，用作生物炭肥料或水处理吸附剂，也可以进一步活化处理后制备高性能污泥活性炭。该方法涉及的设备***主要由输送装置、破碎装置、缓冲料仓、定量给料装置、加热混合装置、成型制粒装置以及热解炭化***等组成。本发明的优点在于：利用聚苯乙烯废塑料来提高污泥热解生物炭比表面积，与同等条件下污泥单独热解生物炭相比，所得的热解生物炭比表面积可增加100～400%；而且，制备的生物炭过渡孔向内部延伸，液相扩散性能优越, 提高了其对大分子有机物的吸附性能，大大提升了污泥生物炭的利用价值。本发明工艺简单实用，投资少，成本低，具有良好的经济效益与环境效益。
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。
Claims (10)
1.一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其特征在于实现步骤包括：
（1）将聚苯乙烯废塑料进行破碎处理；
（2）将污水厂机械脱水产生的污泥进行干燥处理；
（3）将干燥后的污泥与破碎后的聚苯乙烯废塑料进行搅拌混合并加热，使聚苯乙烯废塑料在污泥中实现熔融缩体并相对均匀附着在污泥颗粒表面，然后直接压制成型；
（4）将压制成型后的污泥颗粒送入热解炭化***进行炭化处理，获得良好孔隙结构高比表面积的污泥生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其特征在于：步骤（1）中的聚苯乙烯废塑料包括工业聚苯乙烯废塑料与民用聚苯乙烯废塑料，其中废塑料破碎粒度<2cm。
3.根据权利要求1所述的一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其特征在于：步骤（2）中的污泥干燥处理后含水率 <40%，干燥方式可以是直接干燥或间接干燥。
4.根据权利要求1所述的一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其特征在于：步骤（3）中的聚苯乙烯废塑料占混合物的质量比控制为10～60%，加热温度控制为100℃～180℃，混合时间控制为3～15 min， 加热方式为间接加热；污泥与聚苯乙烯废塑料混合物压制成型，成型形状为圆球型、圆柱形或椭圆型，粒径控制为3mm～35mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其特征在于：步骤（4）中的热解炭化***为固定床式、移动床式或回转窑式炭化炉。
6.根据权利要求1至5之一种提高污泥生物炭比表面积的方法，其制备的污泥生物炭可用作生物炭肥料或水处理吸附剂，也可以进一步活化处理后制备高性能污泥活性炭。
7.一种提高污泥生物炭比表面积方法的***，其特征在于：主要由输送装置、破碎装置、缓冲料仓、定量给料装置、加热混合装置、成型制粒装置以及热解炭化***组成，其中
1#输送装置出口与破碎装置入口连接，破碎装置出口与2#输送装置入口连接，2#输送装置出口与缓冲料仓入口连接，缓冲料仓出口与定量给料装置入口连接，前述1#输送装置、破碎装置、2#输送装置、缓冲料仓及定量给料装置形成聚苯乙烯废塑料输送线，其中的定量给料装置出口与加热混合装置入口连接；
3#输送装置出口与干燥装置入口连接，干燥装置出口与4#输送装置入口连接，前述3#输送装置、干燥装置及4#输送装置形成污泥输送线，其中4#输送装置出口与加热混合装置入口连接；
加热混合装置出口与成型制粒装置入口相连，成型制粒装置出口与5#输送装置入口连接，5#输送装置出口与热解炭化***入口连接。
8.根据权利要求7所述一种提高污泥生物炭比表面积方法的***，其特征在于：所述的1#输送装置为皮带输送机或板式输送机；2#输送装置为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机；3#输送装置与4#输送装置为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机；5#输送装置为皮带输送机；所述的定量给料装置为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机。
9.根据权利要求7所述一种提高污泥生物炭比表面积方法的***，其特征在于：所述的破碎装置为普通塑料剪切式破碎机；干燥装置可以是回转窑式干燥机、水热法脱水反应釜、流化床干燥机、真空干燥机或圆盘式干燥机。
10.根据权利要求7所述一种提高污泥生物炭比表面积方法的***，其特征在于：所述的加热混合装置为外热式回转窑或外热式固定床搅拌混合机；成型制粒装置可以为对辊成型机或挤出造粒机。
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