粉煤灰混合污泥制备活性炭及其吸附性研究

攀枝花学院本科论文 摘要摘要为提高以污泥制备的活性炭的吸附性能， 采用化学活化方法将污泥、粉煤灰混合制备活性炭并研究其吸附性能。研究表明， 在污泥、粉煤灰和 ZnCl2 质量比为 1034、活化温度为 500 、活化时间为 80 min 条件下， 制备的活性炭吸附性能最佳， 其比表面积为 459.56 m2/g， 总孔面积为 0.32 mL/g， 碘值为 376.17 mg/g。以污泥和粉煤灰制备活性炭技术在废水治理领域具有良好的工业应用前景。关键词：粉煤灰；污泥；制备；活性炭；吸附性辽宁科技大学ABSTRCTIn order to improve the sludge, the preparation of activated carbon adsorption, the chemical activation method to the sludge and fly ash mixture preparation of activated carbon and its adsorption performance research. Research shows that in the sludge, fly ash and ZnCl2 quality ratio of 10:3, 4, and the activation temperature of 500 , time of 80 min under the conditions of activation, the preparation of activated carbon adsorption performance is the best, the specific surface area of 459.56 m2 / g, total hole area is 0.32 mL/g, iodine value of 376.17 mg/g. The preparation of activated carbon with sludge and fly ash technology in wastewater treatment field has a good prospect of industrial application. KEYWORDS: fly ash; Sludge; Preparation; Activated carbon; adsorption辽宁科技大学目录图目录 .5表目录 .61 绪论 .71.1 研究背景 .71.2 研究目的及意义 .81.2.1 研究的目的 .81.2. 2 研究的意义 .81.3 国内外的研究现状 .81.3.1 国外的研究现状 .81.3.2 国内研究现状 .92 材料及方法 .112.1 实验药品及仪器 .112.1.1 实验药品 .112.1.2 实验仪器及设备 .112.2 常见的分析方法 .112.2.1 苯酚的分析方法 .112.2.2 污泥含水率及挥发份分析方法 .132.2.3 亚甲基蓝吸附值分析方法 .142.2.4PH 测定方法 .142.3 本文试验方法 .143 结果与讨论 .163.1 污泥粉煤灰配比对活性炭吸附性能的影响 .163.2 浸值比对活性炭吸附性能的影响 .173.3 活化温度对活性炭吸附性能的影响 .173.4 活化时间对活性炭吸附性能的影响 .18四、结论与展望 .19致谢 .21参考文献 .22辽宁科技大学图目录图 2.1 苯酚溶液的紫外-可见吸收光谱 .12图 2-2 苯酚溶液在 269nm 处的 UV-Vis 标准曲线 .13图 2-3 污泥粉煤灰制备活性炭工艺流程 .15图 3-1 粉煤灰对活性炭吸附能力的影响 .16图 3-2 活化剂对活性炭吸附能力的影响 .17图 3-3 活化温度对活性炭吸附能力的影响 .18表 3-4 活化时间对活性炭吸附能力的影响 .19辽宁科技大学表目录表 2.1 实验药品 .11表 2.1 实验仪器及设备 .11表 3-1 粉煤灰对活性炭吸附能力的影响 .16表 3-2 活化剂对活性炭吸附能力的影响 .17表 3-3 活化温度对活性炭吸附能力的影响 .18表 3-4 活化时间对活性炭吸附能力的影响 .18辽宁科技大学1 绪论1.1 研究背景随着我国社会经济的发展，一方面人们的生活水平不断提高，对环境质量要求也越来越高；但另一方面资源相对短缺的我国在经济发展的过程中，资源浪费、环境污染现象较严重。因此，以资源高效利用和循环利用为核心，以减量化、再利用、资源化为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征的循环经济发展模式对解决上述的矛盾具有迫切的现实意义。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。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，将其转化活性炭是一种具有高度发达孔隙结构和极大比表面积的多孔炭材料。主要由碳元素组成，同时也含有氢、氧、硫、氮等元素，以及一些无机矿物质。活性炭不溶于水和其它绝大部分的溶剂。除了在高温下同氧接触，同臭氧、氯、重铬酸盐等强氧化剂反应外，在诸多实际使用条件下都极为稳定，可以在广泛的 pH 范围内及多种溶剂、高温、高压下使用。发达的孔隙结构决定了吸附作用是活性炭最显著的特征之一，因而活性炭被广泛地应用于对气相和液相中有害物质的吸附、净化处理，如:在食品工业、饮用水及污水处理、医学领域、煤气脱硫、烟道气脱硫脱硝、天然气储存、食品保鲜燃料及军事防毒面具等方面的应用；同时由于活性炭所具有的耐高温、耐腐蚀、导电、传热以及化学稳定性等一系列优点，在催化材料、电子能源材料和生物工程材料方面的应用也陆续得到了研究和开发，其产量和性能也在不断地提高,目前世界范围内活性炭的生产量和使用量正不断扩大，2003 年世界活性炭年消费量超过 70 万吨，并以每年 15%的速度递增。西方一些发达国家在环保方面的人均活性炭需求量达到 300400mg/g 1。由于美国环保法律的严格实施，近年来用于环保的活性炭以平均 25%的速度增长。我国活性炭年产量已突破 21 万吨，取代美国(1517 万吨)成为世界第一活性炭生产大国;活性炭出口量也逐年上升，2002 年出口 15 万吨，已稳居世界首位。因此，活性炭工业的发展有着极大的前景。但是，国内的活性炭工业必须注重研究活性炭的生产和产品性能的研究，根据现在我国现有状况，污染十分严重，粉尘和污泥造成的危害极大，而粉煤灰混合污泥制备活性炭的技术现在进行研究，正好可1庞文台. 掺合粉煤灰的复合水泥土力学性能及耐久性试验研究D.内蒙古农业大学,2013.辽宁科技大学以解决污染的问题，这样加强新技术开发，以促进整个活性炭行业的良好发展。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。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。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。1.2 研究目的及意义1.2.1 研究的目的污水处理过程中产生的污泥中含有大量的有机物，我国目前污水污泥中有机物的含量一般为 40%70%6 ，但是随社会发展水平的提高其含量也会增加，故污水污泥的含炭量也会提高，这是污泥制备活性炭的客观因素，同时探讨污泥制备成本低廉的活性炭吸附剂，是污泥处理处置和资源化新途径，对解决污泥出路与资源化问题具有重要意义。国内外有不少学者对粉煤灰混合污泥制备活性炭吸附剂作了不同的研究。随着人们生活水平的提高，污泥量和污泥中有机物的含量在不断增加，从1996 年开始特别是 2000 年以后，不断的带来了对整个废水处理的整体性过程的研究和分析。在这样的情况下，如何能够更好的推进当前的整个化学研究的体现和分析，将会对未来的发展产生更加重要的作用和意义。1.2. 2 研究的意义1.2.2.1 理论意义从理论上来看，当前的研究过程中主要是针对现有的整个污水处理的过程进行系统的分析，在进行排污处理的过程中，如何能够更好的体现出对当前的不同的污染物质的分类，将会极大的影响到人们的正常生活。所以，通过本文的研究，试图能够将活性炭进行适当的分析和体现，能够更好的凸显出对当前的整个研究的过程和实现的基础性的体现效益。1.2.2.2 实践意义从整个实践的效果上来看，整体性的研究规划和研究的发展之间有着密切的连续性，在这样的情况下，从粉煤的污泥制备到活性炭的基本的相互吸附的角度上，进行适当的分析和研究，最终将会凸显出对当前的研究方法和思路。在工业生产过程中，利用这样的思路进行实际的生产，将会带来更多的重要性意义和效果的呈现。1.3 国内外的研究现状1.3.1 国外的研究现状辽宁科技大学1960 年 Razoku 等人最早意识到污泥可以作为一种资源进行利用而不是直接处置掉。他当时写了一篇关于含碳农业废弃物吸附特性的文章，意识到污泥有资源化的可能性，但没有进行研究。1971 年，Beekmnas 和 Pkar 在一篇题为城市污水处理厂污泥的热解产物及可能的应用中建议在某种条件下城市污水处理厂污泥可以转化为一种有用的含碳吸附剂。随后 Bitliewksi 等几位研究人员进行了试验探索，并初步优化了制备条件。直到 1987 年 chinag 和 You 又研究了城市污水处理厂污泥制备吸附剂，但是吸附效果不能令人满意。在以后的近十年里，鲜有报道 2。南洋理工大学的 Tay 和陈晓歌等人对消化污泥和未消化污泥制备活性炭做了对比，从 BET 比表面积、孔容积、含碳量、苯吸附能力等方面分析，以未消化污泥为原料的效果要好些。但未消化污泥不够稳定，在使用制备过程中具有一定的风险性。因此在他们接下来的研究中均使用消化污泥。并对污泥活性炭进行了物理化学特性的研究。他们还探索了用添加椰子壳后的消化污泥制备活性炭的最佳条件，在这个条件下 BET 比表面积可达 867.61m2g-1，对酚的去除率为 57.99%.太阳能光催化污水处理技术是绿色环保工业技术，在环境污染严重、能源短缺的今天，具有广阔的前景。目前尽管世界各国在这方面已有大量的研究，但由于光催化反应过程十分复杂，化合物降解水平不一3，反应机理和实验结果仍然有许多矛盾4 。Fe2(C2O4)3 H2O2 对有机物的降解效率虽然比 TiO2/H2O2 有了很大的提高，但它对太阳辐射的利用也只是占到了太阳总辐射的 18%，因此寻找具有更宽的太阳光谱响应范围的催化剂，将是今后研究的重点之一；目前对日光作用下的整个体系中的光催化剂、反应物浓度，以及太阳光的强度，反应温度和光反应器的结构对系统的影响研究还不够全面和透彻，还有必要开展进一步的研究。此外，太阳能光催化污水处理技术至今未能商业化，成本较高是原因之一，如何在高效地降解有机污染物的同时，又降低系统的成本，这也是今后研究的重点。这次研究的主要目的是解决草酸铁光催化剂与石墨复合材料对紫外线的吸收问题。以及复合材料的性能研究。攀枝花拥有丰富的细鳞片石墨资源，如何对石墨资源进行深层次开发与利用是目前研究的核心。膨胀石墨是优良的吸附材料，而草酸铁具有光催化活性。其复合材料可充分发挥各自的优点。1.3.2 国内研究现状国内也有部分学者对城市污水污泥制备活性炭作了一些研究。余兰兰等人92蒋丽,谌建宇,李小明,罗隽,杨麒,王宇. 粉煤灰陶粒对废水中磷酸盐的吸附试验研究J. 环境科学学报,2011,07:1413-1420.辽宁科技大学以城市污水污泥为原料，采用不同活化方法制备活性炭吸附剂，同时对比不同活化剂活化效果，并对影响活化产物吸附性能的因素进行了研究。结果表明，化学活化法制备的活性炭吸附剂性能较好，采用污泥制备的活性炭吸附剂处理城市污水，COD 去除率较高，污水色度也有了较大改善。四川大学的杨丽君等人也以污水污泥为原料，采用微波辐照磷酸活化的方法制备污泥活性炭，得出磷酸微波法制污泥炭的最佳条件为:微波功率 480W、辐照时间 2605、磷酸浓度 40%。在该条件下，制得的污泥炭碘值为 517.4mg/g，产率为 43%。任爱玲等人研究了以制药污水处理厂污泥为原料，分别以磷酸和氯化锌为活化剂制备污泥活性炭，研究正交试验确定最佳工艺参数，并以果壳作添加剂提高活性炭性能。 3对污泥制备活性炭的工艺，虽然国内外已经作了一定研究，但是以城市污水处理厂脱水生污泥为原料，同时采用管式炉热解法研究制备活性炭的最佳工艺参数，并将其应用于城市污水厂出水处理的效果分析，同商品活性炭的性能比较，像这样在污水污泥中加入碳添加剂、较全面地研究城市污水污泥制备活性炭技术的研究报道却很少。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