一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法

摘要

本发明提供了一种利用尿液活化城市污泥制备活性炭的方法，将尿液与城市污水厂干污泥进行混合；混合后的污泥经离心分离，干燥，得到的城市污泥前躯体在氮气保护环境下，于管式炉中进行炭化；炭化结束后，自然冷却至室温得到的炭化污泥在水蒸气保护环境下于管式炉中控制温度进行活化；活化结束后自然冷却至室温，然后依次用稀盐酸水溶液和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH值恒定在6.7~7.0，真空干燥即得活性炭。本发明的制备方法具有操作简单、原料易得、生产升本低等特点，所得活性炭，其比表面积高、孔径发达、产品质量稳定。

权利要求

1.一种利用尿液活化城市污泥制备活性炭的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将尿液和城市污水厂干污泥进行混合，混合时间40～80分钟；所述的尿液中，尿素的质量百分比浓度为10～15％，城市污水厂干污泥的质量为尿液质量的10～20％；

在所述的城市污水厂干污泥中，其含水率低于5％；

所述的混合是用电动搅拌机控制转速120～150rpm搅拌或曝气搅动；所述的曝气搅动是采用空气泵通气搅动，通气流量2.0～2.5L/min；

2)将混合后的城市污泥控制转速2500～4000rpm进行离心分离，得到滤饼，所得滤饼控制环境温度100～110℃，干燥12～24h后得到城市污泥前驱体；

3)将所得城市污泥前驱体在氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率10～20℃/min升温至400～600℃进行炭化2～2.5h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；

4)将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15～20℃/min升温至500～600℃进行活化1～1.5h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质量浓度为5～15％的盐酸溶液和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在6.7～7.0为止；

所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0～2.0L/min；

5)将洗涤后的活化样品在温度60～70℃的条件下真空干燥12～24h即得活性炭。

2.如权利要求1所述的利用尿液活化城市污泥制备活性炭的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的氮气的纯度大于99.5％。

3.如权利要求1所述的利用尿液活化城市污泥制备活性炭的方法，其特征在于：步骤4)中，所述的水蒸气的质量百分比浓度大于85％。

说明书

一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法

技术领域

[0001] 本发明属于化工领域，涉及一种固体废弃物资处理的方法，具体来说是一种利用尿液活化污泥制备活性炭的方法。

背景技术

[0002] 近年来随着我国市政污水和工业污水处理量的增加，污泥产生量也在急剧增加。污泥含水率高，且含有大量有毒、有害的病原体微生物和重金属，若不妥善处理，随意处置将导致严重的环境污染。目前国内外针对污泥的处置方法主要有污泥填埋、污泥焚烧、海洋填埋、污泥堆肥。污泥焚烧需要花费高昂的成本建立焚烧设施，而且在焚烧的过程中会产生大量的颗粒物，以及有毒有害的气体，易导致二次污染；污泥填埋产生的大量渗滤液会对土地和地下水产生严重的污染；污泥堆肥的产物中由于其同时含有大量有毒、有害的重金属以及难以降解的持久性有机污染物，因为难以大范围推广。

[0003] 活性炭作为一种高效的吸附剂，因其具有较高的比表面积和丰富的官能团，对水中污染物（如多环芳烃、多氯联苯和重金属等）有较好的吸附作用，同时可以实现对空气中有害气体的分离和浓缩，因此在环境、食品、医疗和化学工业中都有广泛的应用。但由于用于制备活性炭的材料的成本较高，活化剂较为昂贵而限制了其大规模的使用。

[0004] 污泥通过热解制备活性炭，具有原材料易得、操作过程简单、可资源再生等特点，是未来污泥资源化处理处置的重要方法。但目前以污泥制备的活性炭其比表面积较低，其活化过程需要消耗大量的活化试剂，如ZnCl2，KOH，H2PO4等，造成活性炭的制备成本高，设备腐蚀严重。寻找一种价格低廉的活化剂并满足对活性炭使用的基本要求，是近年来制备污泥活性炭的重点研究方向。

[0005] 尿液是经过人体新陈代谢产生一种废液，其主要含有尿酸、尿素和无机盐等。尿液作为生活污水的一部分被输运到生活污水处理厂集中处理，使尿液中的氮、磷等有价元素含量成为污水处理厂污水达标排放的重要控制指标。目前对尿液的氮磷提取研究较多，但作为活化剂活化污泥制备活性炭的研究还未见报道。

发明内容

[0006] 针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种利用尿液活化污泥制备活性炭的方法，所述的这种利用尿液活化污泥制备活性炭的方法要解决现有技术中以污泥制备的活性炭其比表面积较低，其活化过程需要消耗大量的活化试剂的技术问题。

[0007] 本发明提供了一种利用尿液活化城市污泥制备活性炭的方法，其特征在于包括以下步骤：

[0008] 1)将尿液和城市污水厂干污泥进行混合，混合时间40 80分钟；所述的尿液中，尿~素的质量百分比浓度为10 15%，城市污水厂干污泥的质量为尿液质量的10 20%；
~ ~

[0009] 在所述的城市污水厂干污泥中，其含水率低于5%；

[0010] 所述的混合是用电动搅拌机控制转速120 150rpm搅拌或曝气搅动；~

[0011] 所述的曝气搅动是采用空气泵通气搅动，通气流量2.0 2.5L/min；~

[0012] 2)将混合后的城市污泥控制转速2500 4000rpm进行离心分离，所得滤饼控制环境~温度100 110℃，干燥12 24h后得到城市污泥前躯体；
~ ~

[0013] 3)将所得城市污泥前躯体在氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率10 20~℃/min升温至400 600℃进行炭化2 2.5h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；
~ ~

[0014] 4)将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15 20℃/min~升温至500 600℃进行活化1 1.5h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质~ ~
量浓度为5 15%的盐酸溶液和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在6.7 7.0为止；
~ ~

[0015] 所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0 2.0L/min；~

[0016] 5)将洗涤后的活化样品在温度60 70℃的条件下真空干燥12 24h即得活性炭。~ ~

[0017] 进一步的，步骤3）中，所述的氮气的纯度大于99.5%。

[0018] 进一步的，步骤4）中，所述的水蒸气的质量百分比浓度大于85%。

[0019] 通过上述的方法所得污泥活性炭，其比表面积可达460-572m2/g，总孔容可达0.474-0.681cm3/g，平均孔径可达7.43-11.31nm.

[0020] 本发明的方法与现有技术相比，其技术进步是显著的。本发明所使用的活化剂为尿液，其使用成本低、效益好，制备得到的污泥活性炭比表面积高，孔径发达、产品质量稳定，易于工业化，而且本发明的制备方法具有操作简单、原料易得。

附图说明

[0021] 图1、实施例1所得的污泥活性炭的扫描电镜图。

[0022] 图2、实施例1所得的污泥活性炭的氮气吸附-脱附曲线图。

具体实施方式

[0023] 以下所述实例仅是对本发明做进一步的描述，但不限制本发明。

[0024] 实施例1

[0025] 一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法，具体包括以下步骤：

[0026] （1）将15g城市污水厂干污泥加入100g含尿素质量分数为15%的尿液中混合，混合时间60min；

[0027] 所述的城市污水厂干污泥含水率为2.7%；

[0028] 所述的混合是用电动搅拌机控制转速120rpm搅拌；

[0029] （2）、将混合后的城市污泥控制转速4000rpm进行离心分离，所得滤饼控制环境温度105℃，干燥24h后得到城市污泥前躯体；

[0030] （3）、将所得城市污泥前躯体在高纯氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率10℃/min升温至600℃进行炭化2h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；

[0031] （4）、将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15℃/min升温至500℃进行活化1h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质量浓度为10%的稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在6.7为止；

[0032] 所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0L/min；

[0033] 所述的水蒸气，其质量浓度为90%；

[0034] （5）、将洗涤后的活化样品进行控制温度65℃进行真空干燥24h即得污泥活性炭。

[0035] 上述所得的污泥活性炭经氮气吸附-脱附仪AUTOSORB-1（康塔公司）测试，其吸附-脱附曲线如图1所示，从图1中可以看出上述所得污泥活性炭在p/p0为0.48以上发生毛细管凝聚现象，吸附与脱附分支不重合产生回环，为典型的介孔材料；

[0036] 通过BJH模型计算得到如表1所示上述所得污泥活性炭的比表面积532m2/g，总孔容0.681cm3/g和平均孔径11.31nm；

[0037] 表1  实例1 实例2 实例3 实例4
比表面积（m2/g） 532 490 495 507
总孔容（cm3/g） 0.681 0.474 0.527 0.612
平均孔径（nm） 11.31 7.43 8.11 10.73

[0038]  通过高分辨场发射扫描电子显微镜 Sirion 200（FEI COMPANY）对上述所得的污泥活性炭的微观形貌进行扫描，所得扫描电镜SEM图如图2所示，从图2中可以看到在视野范围内所得污泥活性炭表面粗糙，呈片状，分布着不规则孔隙，表明污泥活性炭有较发达的孔结构。

[0039] 实施例2

[0040] 一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法，具体包括以下步骤：

[0041] （1）将20g城市污水厂干污泥加入100g含尿素质量分数为15%的尿液中混合，混合时间60min；

[0042] 所述的城市污水厂干污泥含水率为1.8%；

[0043] 所述的混合是用电动搅拌机控制转速150rpm搅拌；

[0044] （2）、将混合后的城市污泥控制转速4000rpm进行离心分离，所得滤饼控制环境温度105℃，干燥24h后得到城市污泥前躯体；

[0045] （3）、将所得城市污泥前躯体在高纯氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率20℃/min升温至400℃进行炭化2h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；

[0046] （4）、将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15℃/min升温至600℃进行活化1h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质量浓度为10%的稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在7.0为止；

[0047] 所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0L/min；

[0048] 所述的水蒸气，其质量浓度为90%；

[0049] （5）、将洗涤后的活化样品进行控制温度65℃进行真空干燥24h即得污泥活性炭。

[0050] 上述所得污泥活性炭经过测试，其比表面积490m2/g，总孔容0.474cm3/g和平均孔径7.43nm。

[0051] 实施例3

[0052] 一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法，具体包括以下步骤：

[0053] （1）将20g城市污水厂干污泥加入100g含尿素质量分数为10%的尿液中混合，混合时间60min；

[0054] 所述的城市污水厂干污泥含水率为3.6%；

[0055] 所述的混合是用电动搅拌机控制转速130rpm搅拌；

[0056] （2）、将混合后的城市污泥控制转速4000rpm进行离心分离，所得滤饼控制环境温度105℃，干燥24h后得到城市污泥前躯体；

[0057] （3）、将所得城市污泥前躯体在高纯氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率20℃/min升温至600℃进行炭化2h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；

[0058] （4）、将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15℃/min升温至600℃进行活化1h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质量浓度为10%的稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在7.0为止；

[0059] 所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0L/min；

[0060] 所述的水蒸气，其质量浓度为91%；

[0061] （5）、将洗涤后的活化样品进行控制温度65℃进行真空干燥24h即得污泥活性炭。

[0062] 上述所得污泥活性炭经过测试，其比表面积495m2/g，总孔容0.527cm3/g和平均孔径8.11nm。

[0063] 实施例4

[0064] 一种利用尿液活化城市污泥制备污泥活性炭的方法，具体包括以下步骤：

[0065] （1）将10g城市污水厂干污泥加入100g含尿素质量分数为20%的尿液中混合，混合时间60min；

[0066] 所述的城市污水厂干污泥含水率为2.7%；

[0067] 所述的混合是用曝气搅动；

[0068] 所述的曝气搅动是采用空气泵通气搅动，通气流量2.5L/min；

[0069] （2）、将混合后的城市污泥控制转速4000rpm进行离心分离，所得滤饼控制环境温度105℃，干燥24h后得到城市污泥前躯体；

[0070] （3）、将所得城市污泥前躯体在高纯氮气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率20℃/min升温至400℃进行炭化2h，待炭化结束后自然冷却至室温得到炭化污泥；

[0071] （4）、将所得炭化污泥在水蒸气保护环境下，于管式炉中，控制升温速率15℃/min升温至600℃进行活化1h；待活化结束后自然冷却至室温，取出活化样品依次用质量浓度为10%的稀盐酸和去离子水反复洗涤，直至洗出液pH恒定在6.9为止；

[0072] 所述水蒸气保护环境是将水蒸气通入管式炉中，通气流量1.0L/min；

[0073] 所述的水蒸气，其质量浓度为89%；

[0074] （5）、将洗涤后的活化样品进行控制温度65℃进行真空干燥24h即得污泥活性炭。

[0075] 上述所得污泥活性炭经过测试，其比表面积507m2/g，总孔容0.612cm3/g和平均孔径10.73nm。