CN105731752B - 一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，工艺步骤为：分别将剩余污泥和榛子壳烘干后破碎成1mm以下的固体颗粒；按一定比例混合后加入氯化锌溶液，于室温条件下浸泡24h并烘干；将烘干后的混合颗粒真空热解；热解产物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，烘干后得到生物炭。本发明将剩余污泥与含有大量有机质的榛子壳进行混合热解制备生物炭，结合ZnCl2溶液浸泡的活化造孔方法，使热解过程更容易发生，与直接焚烧、热解以及添加玉米秸秆等农作物热解的方式相比，本发明有助于形成产量高、比表面积大、孔隙度良好的生物炭产品。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理工艺技术领域，特别涉及一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法。
背景技术
污水处理厂排放的污泥按处理方法和分离过程分为五类：初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥、化学污泥和沉淀污泥。其中剩余污泥来源于二沉池中排出***外的活性污泥，具有有机质含量高并富集大量的碳元素的特点，加以绝氧热解可有效地保留其中的碳元素，转变成污泥处置过程中减量化、无害化、安全化，并具有经济附加值的生物炭产品，同时避免了传统生产中使用木质原料制备生物炭而消耗大量天然植被的弊端。
生物炭是一种碳含量极其丰富的木炭，几乎为纯碳，主要功能体现在以下几个方面：①固碳作用：生物炭是稳定的碳固定载体，可将不稳定碳转化为芳香性碳骨架封存于土壤中，抑制温室气体的排放，减轻温室效应；②土壤改良：生物炭表面含有氮、磷、钾等植物生长所需营养元素，添加于土壤中可改善土壤的理化性质；③吸附效应：生物炭富含微孔结构，有很强的吸附能力，可用作吸附剂去除污水、大气中污染物。
随着经济的飞速发展以及国家对环境保护中主要污染物减排工程的重视，对剩余污泥的有效处理使之变废为宝逐渐成为环境工作者们面临的严峻问题。目前对剩余污泥的处理方式主要有以下三种：污泥焚烧、直接热解、加入玉米秸秆热解。
污泥焚烧法是将脱水污泥直接送入焚烧炉焚烧，可将污泥中所有水分和有机物全部去除，污泥本身变成灰烬，该方法适用于含少量有害物的工业污泥或有机物浓度极高的工业废水，并且缺点是需要消耗大量的能源，设备要求高，运行管理复杂。此外，焚烧过程还会产生目前已成为环境热点的剧毒产物二噁英。
直接热解是利用污泥中有机物的热不稳定性，在无氧条件下对其加热，使有机物产生热裂解，该方法能源利用率较高，并且无二噁英和呋喃等有害气体产生，但该方法运行成本较高，且形成的生物炭比表面积较低，孔隙结构较差，不利于作为吸附材料等开发利用。
加入玉米秸秆热解可增加生物炭的比表面积，优化孔隙结构，但玉米秸秆中的挥发份含量较大，在热解过程中的质量损失较多，直接造成生物炭的产率低。
采用这三种方式处理剩余污泥均可以得到生物炭，但具有产率普遍较低、制得的生物炭比表面积和孔隙度较差、吸附性能不佳、重金属元素含量较高等缺陷。因此，亟需开发一种生物炭产量高、性能好，且环境友好的剩余污泥处理方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，将剩余污泥与榛子壳按照一定比例混合，在特定条件下热解，制备得到产率高、比表面积大、孔隙结构好、重金属元素呈残渣态（固定化）的生物炭。本发明的技术方案为：
一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，按以下步骤进行：
（1）分别将剩余污泥和榛子壳烘干；
（2）分别将烘干后的剩余污泥与榛子壳破碎成1mm以下的固体颗粒；
（3）将剩余污泥和榛子壳的固体颗粒混合后加入氯化锌溶液，于室温条件下浸泡24h，烘干；
（4）将烘干后的混合颗粒真空热解；
（5）将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，烘干后得到生物炭。
上述方法中，所述步骤（3）中榛子壳占剩余污泥和榛子壳总质量的5~30%。
上述方法中，所述步骤（3）中氯化锌溶液的浓度为2~5mol/L。
上述方法中，所述步骤（4）中真空热解的条件为：真空度为100~500Pa，升温速率为10℃/min，热解终温为400~700℃，时间为15~120min。
上述方法中，所述步骤（1）、（3）和（5）中烘干的温度为100~110℃，时间为22~26h。
上述方法中，所述生物炭的比表面积为632.54~806.15m2/g，碘吸附值为589.27~669.15mg/g。
本发明的原理为：榛子是重要的坚果树种之一，在我国东北产量较高，榛子壳中含有丰富的碳元素，但往往被作为垃圾扔弃，本发明将榛子壳作为碳源添加剂和剩余污泥混合，一方面可以增加原料中的含碳比例，另一方面由于榛子壳粉碎后的颗粒分散性好，有助于降低剩余污泥相互聚集，因此可促进热解反应的发生，能显著增加生物炭的比表面积，并有利于生物炭中的孔隙形成，同时优化生物炭产率，减少原料中重金属元素含量，确保生物炭产品的环境安全性。
与现有技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
本发明将剩余污泥与含有大量有机质的榛子壳进行混合热解制备生物炭，结合ZnCl2溶液浸泡的活化造孔方法，使热解过程更容易发生，与直接焚烧、热解以及添加玉米秸秆等农作物热解的方式相比，本发明有助于形成产率高、比表面积大、孔隙度良好的生物炭产品，并且所制备的生物炭可将重金属元素稳定于其热解过程所形成的晶体结构中，防止在使用过程中的析出，固定化效果好，实现剩余污泥向对环境安全无害化生物炭产品的转变。
榛子壳、玉米秸秆工业分析结果如表1所示。
表1 榛子壳、玉米秸秆工业分析
| 工业分析 | 水分 Mar | 固定碳 FCd | 灰分Ad | 挥发份 Vd | 低位热值LHV |
| 榛子壳 | 7.22% | 13.98% | 4.23% | 74.57% | 27.82MJ/kg |
| 玉米秸秆 | 8.24% | 11.94% | 3.57% | 76.25% | 13.37MJ/kg |
注：ar表示收到基；d表示干基。
附图说明
图1为采用直接热解方法制备的生物炭的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的生物炭的外观图；
图3为本发明实施例1制备的生物炭的SEM图；
图4为本发明实施例2制备的生物炭的SEM图；
图5为本发明实施例3制备的生物炭的SEM图。
具体实施方式
本发明实施采用的剩余污泥来自辽宁某污水处理厂，其工业分析和元素分析分别如表2和3所示。
表2 剩余污泥工业分析
| 工业分析 | 水分 Mar | 固定碳 FCd | 灰分Ad | 挥发份 Vd | 低位热值LHV | 有机物含量 |
| 含量 | 79.54% | 1.13% | 33.43% | 60.34% | 14.90 MJ/kg | 64.73% |
注：ar表示收到基；d表示干基。
表3 剩余污泥元素分析
| 元素 | C | H | O | N | S | C/H | C/N | TN |
| 含量(mg/kg) | 36.83% | 4.813% | 52.164% | 5.03% | 1.163% | 7.6526 | 7.3218 | 2.825 |
| 元素 | TP | TK | Cu | Ni | Pb | Zn | Cd | Cr |
| 含量(mg/kg) | 1.795 | 0.38 | 117.53 | 77.27 | 110.28 | 666.67 | 56.18 | 61.38 |
以下实施例用于阐述本发明，并不用于解释限制本发明的保护范围。
在以下实施例中，生物炭产率的定义为：
碘吸附值的定义为：根据国标法《GB/T12496.8-1999木质活性炭试验方法：碘吸附值的测定方法》，表征生物炭大于1.0nm微孔的发达程度以及生物炭对小分子杂质吸附能力的表现，并间接衡量吸附剂的比表面积。
重金属元素固定化比例的定义为：根据欧盟（BCR）土壤中重金属形态的标准化分级连续提取法，测定出的生物炭中呈残渣态的重金属元素的比例。
发明人参考现有直接热解方法，处理本发明所采用的同一剩余污泥：
将剩余污泥在105℃加热24h后破碎成1mm以下的固体颗粒，在真空度为100Pa，温度为500℃的条件下真空热解1h；依次采用稀盐酸、去离子水洗涤热解后的固体颗粒，105℃烘干24h，得到生物炭产率为45.70%，比表面积为90.35m2/g，碘吸附值为78.26mg/g，重金属固定化比例为：Cu，85.22%；Ni，83.27%；Cr，60.81%；Cd，71.45%；Zn，87.36%；Pb，76.20%。图1提供了直接热解法制备的生物炭的SEM图，从图中可以看出生物炭的形貌呈凹凸不平沟壑态，但无纳米级的微孔形成，孔隙结构差，直接导致比表面积低，吸附性能功能弱。
实施例1
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为10%配比剩余污泥和榛子壳，经过5mol/L的ZnCl2溶液以液固比为2:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至500℃并保温1.5h；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为60.49%。在吸附性能方面：比表面积为799.11m2/g，碘吸附值为669.15mg/g；重金属固定化比例为：Cu，89.44%；Ni，86.93%；Cr，62.76%；Cd，74.90%；Zn，87.48%；Pb，81.06%。图2提供了本发明实施例1制备的生物炭的外观图，固体颗粒均匀细致，有光泽，外观好，无异味；图3提供了本实施例制备的生物炭的SEM图，从图中可以看出生物炭的形貌有明显的孔隙结构，以微米、纳米级别孔隙为主，造孔较深，比表面积较直接热解方法有大幅改善。
实施例2
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为20%配比剩余污泥和榛子壳，经过3mol/L的ZnCl2溶液以液固比为3:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至600℃并保温30min；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为56.33%。在吸附性能方面：比表面积为806.15m2/g，碘吸附值为619.69mg/g；重金属固定化比例为：Cu，91.10%；Ni，88.64%；Cr，68.07%；Cd，77.20%；Zn，89.69%；Pb，84.12%。图4提供了本实施例制备的生物炭的SEM图，从图中可以看出生物炭的形貌有明显的孔隙结构，以微米、纳米级别孔隙为主，孔隙均匀分布，比表面积较直接热解方法有大幅改善。
实施例3
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为30%配比剩余污泥和榛子壳，经过4mol/L的ZnCl2溶液以液固比为3:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至400℃并保温2h；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为64.77%。在吸附性能方面：比表面积为645.39m2/g，碘吸附值为652.56mg/g；重金属固定化比例为：Cu，89.14%；Ni，85.08%；Cr，63.01%；Cd，75.23%；Zn，88.61%；Pb，80.32%。图5提供了本实施例制备的生物炭的SEM图，从图中可以看出生物炭的形貌有明显的孔隙结构，以微米、纳米级别孔隙为主，造孔较深，孔隙分布均匀，比表面积较直接热解方法有大幅改善。
实施例4
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为5%配比剩余污泥和榛子壳，经过2mol/L的ZnCl2溶液以液固比为3.5:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至700℃并保温1h；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为51.73%。在吸附性能方面：比表面积为632.54m2/g，碘吸附值为589.27mg/g；重金属固定化比例为：Cu，93.44%；Ni，88.02%；Cr，63.62%；Cd，77.22%；Zn，89.27%；Pb，83.62%。
实施例5
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为15%配比剩余污泥和榛子壳，经过3mol/L的ZnCl2溶液以液固比为3:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至650℃并保温1h；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为54.30%。在吸附性能方面：比表面积为751.35m2/g，碘吸附值为607.85mg/g；重金属固定化比例为：Cu，92.14%；Ni，89.42%；Cr，67.67%；Cd，78.12%；Zn，90.66%；Pb，85.32%。
实施例6
分别将剩余污泥和榛子壳在100~110℃下烘干24小时后破碎成1mm以下的固体颗粒；按照榛子壳在混合物中重量百分比为25%配比剩余污泥和榛子壳，经过2.5mol/L的ZnCl2溶液以液固比为3:1于室温条件下浸泡活化24h，100~110℃下烘干；将烘干后的混合颗粒以10℃/min的速率真空加热至450℃并保温0.75h；将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，100~110℃下烘干后得到生物炭，产率为61.67%。在吸附性能方面：比表面积为789.19m2/g，碘吸附值为659.89g/mg；重金属固定化比例为：Cu，88.74%；Ni，85.14%；Cr，64.39%；Cd，76.49%；Zn，89.61%；Pb，84.33%。
Claims (3)
1.一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)分别将剩余污泥和榛子壳烘干；
(2)分别将烘干后的剩余污泥与榛子壳破碎成1mm以下的固体颗粒；
(3)将剩余污泥和榛子壳的固体颗粒混合后加入氯化锌溶液，于室温条件下浸泡24h，烘干；其中榛子壳占剩余污泥和榛子壳总质量的5～30％；
(4)将烘干后的混合颗粒真空热解，所述的真空热解的条件为：真空度为100～500Pa，升温速率为10℃/min，热解终温为400～500℃，时间为15～120min；
(5)将热解后的混合物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，烘干后得到生物炭，所述生物炭的比表面积为632.54～806.15m2/g，碘吸附值为589.27～669.15mg/g。
2.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，其特征在于所述步骤(3)中氯化锌溶液的浓度为2～5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥和榛子壳共热解制备生物炭的方法，其特征在于所述步骤(1)、(3)和(5)中烘干的温度为100～110℃，时间为22～26h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |