公布日：2023.03.07
申請日：2022.10.31
分類號：C01B32/336(2017.01)I;C01B32/324(2017.01)I;C01B32/384(2017.01)I;B01J20/20(2006.01)I
摘要
本發明公開了一種高性能污泥活性炭及其制備方法和應用，包括如下組分：污泥、生物質材料和粘結劑；其中，污泥、生物質材料和粘結劑的質量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，經過炭化、活化處理；炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為400～700℃，炭化時間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；活化處理過程中，活化溫度為600～1000℃，活化時間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。該高性能污泥活性炭具有優異的吸附性能、強度高、制備工藝簡單、制備過程能耗低、無二次污染、成本低廉、市場競爭力強。
權利要求書
1.一種高性能污泥活性炭，其特征在于，包括如下組分：污泥、生物質材料和粘結劑；其中，污泥、生物質材料和粘結劑的質量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，經過炭化、活化處理；炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為400～700℃，炭化時間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；活化處理過程中，活化溫度為600～1000℃，活化時間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。
2.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述污泥為市政污泥、工業污泥、含油污泥中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述生物質材料為玉米秸稈、竹片、板栗殼、米糠、椰殼、堅果、松樹、白木、楊樹、棉籽殼中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述粘結劑為煤焦油、木焦油、酚醛樹脂、羧甲基纖維素、水玻璃、海泡石、膨潤土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化處理過程中，活化方式為化學活化、物理活化、物理‑化學活化中的一種或多種。
6.根據權利要求5所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化處理方式為物理活化，所采用的活化劑為空氣、水蒸氣、CO2中的一種或多種。
7.根據權利要求6所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化劑為水蒸氣，水蒸氣與待炭化的混合物料的比例為(0.5～3)：1。
8.一種如權利要求1‑7中任一項所述的高性能污泥活性炭的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、將污泥經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到污泥粉末；S2、將生物質材料經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到生物質材料粉末；S3、將污泥粉末、生物質材料粉末和粘結劑以配方量比例混合均勻，并加適量水捏合，得到混合物料；S4、將混合物料進行造粒成型，并經陳化處理得到活性炭原胚料；S5、將活性炭原胚料經炭化、活化處理，得到高性能污泥活性炭。
9.根據權利要求8所述的高性能污泥活性炭的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中，陳化溫度為60～85℃，陳化時間8～24h。
10.一種權利要求1‑7中任一項所述的高性能污泥活性炭的應用，其特征在于，所述高性能污泥活性炭用于處理廢氣、廢水和改良土壤。
發明內容
為了滿足我國日益增大的活性炭需求，實現城市污泥減量化、無害化、資源化處置的環保目標，加快生物質固廢資源化利用進程，本發明的目的在于提供一種高效、經濟、安全的高性能污泥活性炭，其具有優異的吸附性能、強度高、制備工藝簡單、制備過程能耗低、無二次污染、成本低廉、市場競爭力強。此外，本發明還提供一種上述高性能污泥活性炭的制備方法和應用。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
本發明的第一方面，提供一種高性能污泥活性炭，包括如下組分：污泥、生物質材料和粘結劑；
其中，污泥、生物質材料和粘結劑的質量比為(50～90)：(10～50)：(5～25)；
各原料混合后，經過炭化、活化處理；
炭化處理在惰性氣體環境下進行，炭化溫度為400～700℃，炭化時間為0.5～3h，炭化升溫溫度為10～30℃/min；
活化處理過程中，活化溫度為600～1000℃，活化時間為0.5～3h，活化升溫溫度為10～30℃/min。
具體地，所述污泥為非危廢類污泥，為市政污泥、工業污泥、含油污泥中的一種或多種。
具體地，所述生物質材料為玉米秸稈、竹片、板栗殼、米糠、椰殼、堅果、松樹、白木、楊樹、棉籽殼中的一種或多種。
優選地，生物質材料為椰殼，椰殼的含碳量較高。
由于污泥中的含碳量低，因此在配方中加入生物質材料作為增碳劑，其含碳量是篩選生物質材料的重要指標。生物質材料中的組成元素中C的含量最高，約38～76％，因此生物質材料可作為該活性炭制備過程中較為優異的協同原材料。
具體地，所述粘結劑為煤焦油、木焦油、酚醛樹脂、羧甲基纖維素、水玻璃、海泡石、膨潤土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或多種。
具體地，所述活化處理過程中，活化方式為化學活化、物理活化、物理‑化學活化中的一種或多種。
優選地，所述活化處理方式為物理活化，所采用的活化劑為空氣、水蒸氣、CO2中的一種或多種。活化劑優選水蒸氣，水蒸氣與待炭化的混合物料的比例(也成為水炭比)為(0.5～3)：1。
本申請中的炭化、活化工藝步驟采用炭化活化一體爐，并經大量的實驗，綜合考慮最終制備的活性炭材料的強度、脫硫脫硝性等性能指標，最終確定了最優的炭化溫度、炭化時間、炭化升溫速率以及活化溫度、活化時間、活化升溫溫度。
熱解炭化和高溫活化過程中產生的可燃性氣體既可用作炭化過程、活化過程的熱源，也可作為原料干燥脫水的熱源。
熱解炭化的主要功能是在無氧高溫條件下材料中的揮發分分解逸出，形成復雜多孔的孔隙結構，其中部分炭化產物碳原子組合成為不規則的芳香族環片狀結構，造成部分裂縫，這些裂縫會在后續的高溫活化工藝中進一步形成更為發達的微孔結構，提升吸附性能。
本申請中的活化處理過程選用物理活化方式，并選用水蒸氣作為活化介質。高溫活化過程中活化物質與炭化料之間進行氧化還原反應，達到擴舊孔開新孔的目的。物料的炭表面吸附水蒸氣后，吸附的水蒸氣釋放出氫氣，吸附的氧以CO的形態從炭表面脫落；生成的CO與炭表面上的吸附氧反應生產CO2；炭表面與水蒸氣持續進行上述反應。這種反應不僅擴大了活性炭復雜多孔的孔隙結構，改善了孔隙的性能指標，還可清除炭化過程中積蓄在孔隙結構內的熱解焦油及未逸出的熱解產物，擴大了孔隙結構、提高了孔洞體積和比表面積、增多了復雜的表面官能團，得到最佳性能的活性炭材料。
本發明的第二方面，提供一種上述高性能污泥活性炭的制備方法，包括如下步驟：
S1、將污泥經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到污泥粉末；
S2、將生物質材料經干燥脫水處理后，再經粉碎、過篩，得到生物質材料粉末；
S3、將污泥粉末、生物質材料粉末和粘結劑以配方量比例混合均勻，并加適量水捏合，得到混合物料；
S4、將混合物料進行造粒成型，并經陳化處理得到活性炭原胚料；
S5、將活性炭原胚料經炭化、活化處理，得到高性能污泥活性炭。
具體地，所述步驟S1中，污泥經干燥脫水、粉碎后，其粒度為150～350目，更優選為200～250目，其含水率為6～10％，干基有機質含量為40～70％，干基灰分含量為40～60％。
所述步驟S2中，生物質材料經干燥脫水、粉碎后，其粒度為150～350目，更優選為200～250目，其含水率為6～10％，干基有機質含量為70～99％，干基灰分含量為1～40％。
所述步驟S3中，陳化溫度為60～85℃，陳化時間8～24h。
所述步驟S3中，捏合時間為40～60min。
所述步驟S4中，活性炭原胚料的直徑為8～10mm，長度為3～15mm。
本發明的第三方面，提供一種上述高性能污泥活性炭的應用，所述高性能污泥活性炭用于處理廢氣、廢水和改良土壤。
具體地，該高性能污泥活性炭可用于煙氣脫硫脫硝領域。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
(1)該高性能污泥活性炭具有優異的吸附性能、強度高，可用于處理廢氣、廢水和改良土壤，與現有活性炭相比，其制備過程能耗低，減少了化石能源和林業資源的浪費，降低了成本，市場競爭力強，工藝也較為簡單，無二次污染，易于操作；
(2)與傳統的污泥處理方式相比，無氧條件炭化不僅從根源上避免了污染物二噁英的產生，還實現了污泥的資源化利用，符合循環經濟的環保理念；
(3)該高性能污泥活性炭為固體，易于運輸和保存；
(4)實現城市污泥減量化、無害化、資源化處置的環保目標，解決了生物質固廢的資源化利用問題。
（發明人：童裳慧）
