一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法

摘要

本发明提供了一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，包括：第一步：将有机废物进行改性预处理，得到制备吸附炭的原料；第二步：将所述的制备吸附炭的原料脱水后，加入催化剂，注入密闭反应器中，按照设定条件反应；第三步：反应结束后，冷却反应系统，对反应所得的混合物进行后处理，得到吸附炭。本发明采用含蛋白质为主的城市污水处理厂的剩余污泥和含碳水化合物为主的餐厨垃圾，实现了多种有机废物的联合资源化利用；本发明加入了多种催化物质，优化了吸附炭的结晶度，显著提升其对染料的吸附性能。本发明制备过程简单，反应条件温和。

权利要求

1.一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，包括：第一步：将有机废物进行改性预处理，得到制备吸附炭的原料；所述的有机废物包括城市污水处理厂的剩余污泥和餐厨垃圾，所述的城市污水处理厂的剩余污泥的含水率为65%~

98%，总有机质含量为5 450g/L，所述的餐厨垃圾的含水率为30% 80%，总有机质含量为10~ ~ ~

350g/L；所述的改性预处理包括：将餐厨垃圾剔除无机物块后，使用破碎机破碎至粒径为

2mm以下，将城市污水处理厂的剩余污泥和餐厨垃圾按照有机质干重比0.1:1 10:1的比例~混合，混合后有机质总含量为10 80 g/L；搅拌，在30 80℃加入0.01 0.5 mL/g VSS的HCl溶~ ~ ~液或H2SO4溶液，得到制备吸附炭的原料；

第二步：将所述的制备吸附炭的原料脱水后，加入催化剂，注入密闭反应器中，按照设定条件反应；所述的催化剂包括双氧水、还原性铁粉、CoCl2和FeCl3，所述的双氧水的加入量为0.1 1mL/g VSS，还原性铁粉、CoCl2和FeCl3的加入量分别为0.1 0.3 g/g VSS、0.08 0.1 ~ ~ ~g/g VSS和0.04 0.07 g/g VSS；反应条件为：在0.5-1.5h内使反应体系的温度升到180 250~ ~℃，并保持该温度0.5-1.5h，压力为1 1.5MPa，搅拌速度为600-1000rpm；

~

第三步：反应结束后，冷却反应系统，对反应所得的混合物进行后处理，得到吸附炭。

2.如权利要求1所述的利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，所述的HCl溶液的浓度为36%以上，所述的H2SO4溶液的浓度为98%以上。

3.如权利要求1所述的利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，所述的第二步中，脱水后含固率达到65%以上，脱水的方法为离心、压滤或真空抽滤，其中，离心采用离心浓缩机，离心5 15min，转速为200 1500 rpm，压滤采用4μm孔径无纺过滤布，压力≤~ ~

0.6MPa，真空抽滤压力为0.05MPa，抽滤3 5min。

~

4.如权利要求1所述的利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，所述的双氧水的浓度为25%-35%。

5.如权利要求1所述的利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，所述的密闭反应器为耐温、耐压的密闭反应器，其内部设有衬层。

6.如权利要求1所述的利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，所述的后处理方法为：取出液体加入无水乙醇，在摇床中震荡3 20h，将震荡后的液体抽滤，得到固体，~并用水不断冲洗，直至清洗液体无色，得到的固体产物放在恒温干燥箱以30 85℃干燥2 24 ~ ~h，取出干燥固体研磨备用，得到吸附炭。

说明书

一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法

技术领域

[0001] 本发明属于环境污染处理技术领域，主要涉及两种有机废物的资源化利用方法。

背景技术

[0002] 有机固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态有机类物品和物质，其主要特征是碳水化合物(蛋白质、多糖类、脂肪)含量大，资源化利用价值高。如：城市污水处理厂产生大量的剩余污泥含大量蛋白质；餐饮业及人们日常产生的餐厨垃圾含大量碳水化合物。资源化有机废物具有非常重要的现实意义和经济社会价值，符合可持续发展的理念。传统的有机废物处理处置方案包括焚烧，填埋等，虽然起到了减量化及无害化功效，但浪费了人类有限的有机碳源。这些有机废物既是污染物又是一种资源，大量研究关注如何资源化回收有机酸(如：一种资源化处理污泥的方法ZL201010524770.8)。

[0003] 将有机废物制备其他功能性材料为另一种资源化思路，如吸附剂、燃料等(王定美，王跃强，等.水热炭化制备污泥生物炭的碳固定.化工学报，2013，64(7)：2625～2632)。现有的有机废物制备吸附材料的方法还停留在使用单一废物进行简单的水热处理，存在碳材料碳化程度低，碳结构无定型，孔隙率低且微孔结构不均一等问题，虽然通过金属改性获得的碳材料在一定程度上克服了碳材料孔隙率低问题，如(吴倩芳，吴建芝，张付申.水热炭化餐厨垃圾制备纳米铁/炭复合材料.环境工程学报，2013，7(2)：695～700)，但吸附性能仍然有待提高。

[0004] 单一蛋白质和碳水化合物其空间结构不同，在一定温度和压力下反应后碳骨架构象不同；均一化的空间构象容易导致碳材料吸附效率下降、容易饱和、微孔结构趋同性强。为了克服这一问题，本发明采用复合有机废物材料，引入活性催化剂，将不同结构的有机碳源耦合反应，协同促进了碳材料的吸附性能。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，该方法实现了有机废物的联合资源化利用，并加入多种催化剂对生物炭优化处改性。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，其特征在于，包括：

[0007] 第一步：将有机废物进行改性预处理，得到制备吸附炭的原料；

[0008] 第二步：将所述的制备吸附炭的原料脱水后，加入催化剂，注入密闭反应器中，按照设定条件反应；

[0009] 第三步：反应结束后，冷却反应系统，对反应所得的混合物进行后处理，得到吸附炭。

[0010] 优选地，所述的第一步中的有机废物包括城市污水处理厂的剩余污泥和餐厨垃圾，所述的城市污水处理厂的剩余污泥的含水率为65％～98％，总有机质含量(VSS)为5～450g/L，所述的餐厨垃圾的含水率为30％～80％，总有机质含量为10～350g/L。

[0011] 更优选地，所述的第一步中的改性预处理包括：将餐厨垃圾剔除无机物块后，使用破碎机破碎至粒径为2mm以下，将城市污水处理厂的剩余污泥和餐厨垃圾按照有机质干重比0.1∶1～10∶1的比例混合，混合后有机质总含量为10～80g/L；搅拌，在30～80℃加入0.01～0.5mL/g VSS的HCl溶液或H2SO4溶液，得到制备吸附炭的原料。

[0012] 更优选地，所述的HCl溶液的浓度为36％以上，所述的H2SO4溶液的浓度为98％以上。

[0013] 优选地，所述的第二步中，脱水后含固率达到65％以上，脱水的方法为离心、压滤或真空抽滤，其中，离心采用离心浓缩机，离心5～15min，转速为200～1500rpm，压滤采用4μm孔径无纺过滤布，压力≤0.6MPa，真空抽滤压力为0.05MPa，抽滤3～5min。

[0014] 优选地，所述的第二步中的催化剂包括双氧水、还原性铁粉、CoCl2和FeCl3，所述的双氧水的加入量为0.1～1mL/g VSS，还原性铁粉、CoCl2和FeCl3的加入量分别为0.1～0.3g/g VSS、0.08～0.1g/g VSS和0.04～0.07g/g VSS。

[0015] 更优选地，所述的双氧水的浓度为25％-35％。

[0016] 优选地，所述的密闭反应器为耐温、耐压的密闭反应器，其内部设有衬层。

[0017] 更优选地，所述的密闭反应器为耐温280℃、耐压5MPa的密闭反应器，所述的衬层为四氟乙烯或PPL。

[0018] 优选地，所述的第二步中的反应条件为：在0.5-1.5h内使反应体系的温度升到180～250℃，并保持该温度0.5-1.5h，压力为1～1.5MPa，搅拌速度为800rpm。

[0019] 优选地，所述的后处理方法为：取出液体加入无水乙醇，在摇床中震荡3～20h，将震荡后的液体抽滤，得到固体，并用水不断冲洗，直至清洗液体无色，得到的固体产物放在恒温干燥箱以30～85℃干燥2～24h，取出干燥固体研磨备用，得到吸附炭。

[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0021] (1)本发明采用含蛋白质为主的城市污水处理厂的剩余污泥和含碳水化合物为主的餐厨垃圾，实现了多种有机废物的联合资源化利用；

[0022] (2)本发明加入了多种催化物质，优化了吸附炭的结晶度，显著提升其对染料的吸附性能。

[0023] (3)本发明制备过程简单，反应条件温和。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1-3中的密闭反应器为耐温280℃、耐压5MPa的密闭反应器，其内部设有四氟乙烯衬层。

[0025] 实施例1

[0026] 一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，具体为：

[0027] (1)取1L城市生活污水处理厂的剩余污泥，室温下自然沉淀4h，除去上清液，得到浓缩污泥(含水率96％，总有机质含量为20g/L)；取食堂餐厨垃圾0.14L(含水率57％，总有机质含量为150g/L)，剔除废物中的塑料制品、牙签、骨头等无机物块，使用机械破碎机破碎至粒径≤2mm。将城市污水处理厂的剩余污泥和餐厨垃圾按照有机质干重比1∶1的比例混合，使用磁力搅拌器在300rpm的速度下搅拌7min匀质，得到混合物(含水率73％，总有机质含量36g/L)。

[0028] (2)取混合物，在35℃下加入0.36mL 37％的浓盐酸(取0.01g/L VSS)，得到制备吸附炭的原料。混合物在离心浓缩机中进一步脱水，转速为1000rpm，离心时间为10min，脱水后含固率为65％。

[0029] (3)将上述离心得到固体放入密闭反应器中，加入浓度为30％的双氧水3.6mL(取0.1mL/g VSS)，还原性铁粉3.6g(取0.1g/g VSS)，CoCl2 2.88g(取0.08g/g VSS)，FeCl3 
1.44g(取0.04g/g VSS)。在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，压力为
1.2MPa，反应器需不断搅拌，搅拌速度为800rpm。

[0030] (4)取出液体加入15mL无水乙醇，在摇床中震荡6h，将震荡后的液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色，得到的固体产物放在恒温干燥箱65℃干燥10h，取出干燥固体研磨，即为吸附炭。

[0031] (5)检验吸附炭的吸附性需使用100mL 100mg/L的罗丹明B溶液，加入0.1g的吸附炭避光条件下震荡8h，在554nm波长下测定原始染料和处理后染料的吸光度。经测定，吸附炭对罗丹明B染料的吸附性高达82％。

[0032] 实施例2

[0033] 一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，具体为：

[0034] (1)取1.5L城市生活污水处理厂的剩余污泥，室温下自然沉淀4h，除去上清液，得到浓缩污泥(含水率97％，总有机质含量为25g/L)；取食堂餐厨垃圾0.26L(含水率58％，总有机质含量为145g/L)，剔除废物中的塑料制品、牙签、骨头等无机物块，使用机械破碎机破碎至粒径≤2mm。将得到的污泥与餐厨垃圾按照有机质干重比1∶1进行混合，使用磁力搅拌器在300rpm的速度下搅拌7min匀质，得到混合物(含水率75％，总有机质含量42.7g/L)。

[0035] (2)取混合物，在35℃下加入0.43mL 37％的浓盐酸(取0.01ml/g VSS)，得到制备吸附炭的原料。混合物在离心浓缩机中进一步脱水，转速为1000rpm，离心时间为10min，脱水后含固率为65％。

[0036] (3)将上述离心得到固体放入密闭反应器中，加入浓度为30％的双氧水4.27mL(取0.1mL/g VSS)，还原性铁粉4.27g(取0.1g/g VSS)，CoCl2 3.416g(取0.08g/g VSS)，FeCl3 
1.708g(取0.04g/g VSS)。在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，压力为
1.2MPa，反应器需不断搅拌，搅拌速度为800rpm。

[0037] (4)取出液体加入20mL无水乙醇，在摇床中震荡6h，将震荡后的液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色，得到的固体产物放在恒温干燥箱65℃干燥12h，取出干燥固体研磨备用。

[0038] (5)检验吸附炭的吸附性需使用100mL 100mg/L的罗丹明B溶液，加入0.1g的吸附炭避光条件下震荡8h，在554nm波长下测定原始染料和处理后染料的吸光度。经测定，吸附炭对罗丹明B染料的吸附性高达85％。

[0039] 实施例3：

[0040] 一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，具体为：

[0041] (1)取2.5L城市生活污水处理厂的剩余污泥，室温下自然沉淀4h，除去上清液，得到浓缩污泥(含水率97％，总有机质含量为23g/L)；取食堂餐厨垃圾0.35L(含水率52％，总有机质含量为165g/L)，剔除废物中的塑料制品、牙签、骨头等无机物块，使用机械破碎机破碎至粒径≤2mm。将得到的污泥与餐厨垃圾按照有机质干重比1∶1进行混合，使用磁力搅拌器在300rpm的速度下搅拌10min匀质，得到混合物(含水率75％，总有机质含量41g/L)。

[0042] (2)取混合物，在35℃下加入0.41mL 37％的浓盐酸(取0.01g/L VSS)，得到制备吸附炭的原料。混合物在离心浓缩机中进一步脱水，转速为1000rpm，离心时间为10min，脱水后含固率为65％。

[0043] (3)将上述离心得到固体放入密闭反应器中，加入浓度为30％双氧水4.1mL(取0.1mL/g VSS)，还原性铁粉4.1g(取0.1g/g VSS)，CoCl2 3.28g(取0.08g/g VSS)，FeCl3 
1.64g(取0.04g/g VSS)。在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，压力为
1.2MPa，反应器需不断搅拌，搅拌速度为800rpm。

[0044] (4)取出液体加入25mL无水乙醇，在摇床中震荡8h，将震荡后的液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色，得到的固体产物放在恒温干燥箱65℃干燥15h，取出干燥固体研磨备用。

[0045] (5)检验吸附炭的吸附性使用100mL 100mg/L的亚甲基蓝溶液，加入0.1g的吸附炭避光条件下震荡8h，在664nm波长下测定原始染料和处理后染料的吸光度。经测定，吸附炭对亚甲基蓝染料的吸附性高达84.2％。