城市污水处理厂剩余污泥制备活性炭的研究

姚志恒，刘 羽，牛志睿，张雅琪，符策伟，任俊禄

(延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安716000)

城市污水处理厂剩余污泥制备活性炭的研究

姚志恒，刘 羽*，牛志睿，张雅琪，符策伟，任俊禄

(延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安716000)

以污水处理厂剩余污泥为原料，以KOH为活化剂采用化学活化法制备污泥活性炭。研究了碳化时间、碳化温度及活化剂浓度等条件对污泥活性炭碘吸附值和产率的影响。通过正交实验确定了污泥活性炭的最佳制备条件。结果表明，以碘吸附值作为主要评价指标，制备条件对污泥活性炭的碘吸附值影响大小的顺序为：炭化时间>活化剂浓度>炭化温度。制备污泥活性炭的最佳工艺组合为炭化温度400℃，炭化时间40 min，活化剂浓度为0.3 mol/L，污泥活性炭的碘值为308.7 mg/g。

污泥活性炭；碘吸附值；产率；化学活化法

吸附法是环境保护领域常用的处理方法之一，其成功应用的关键是选择合适的吸附剂，目前应用最为广泛的活性炭吸附剂，原材料主要是煤和木材等含碳材料，成本较高，一些研究学者正致力于利用农林废物、纸浆废液、有机废弃物等含碳物质制造价格低廉的活性炭[1-4]。我国污水厂污泥中的有机物含量为50%～60%，随着生活水平的提高，污泥中有机物的含量还会不断增加，利用化学活化法使污泥高温热解制备活性炭，不仅能获得价廉的吸附材料，将污泥中可溶性重金属转化成难溶物固定在活性炭中，从而减少对环境的污染，还可以将污泥活性炭运用于污水处理、恶臭处理及有毒、有害物质处理[5-7]。本研究拟以污水处理厂剩余污泥为原料，利用化学活化法制备污泥活性炭，研究制备条件对其性能的影响，获取廉价吸附剂材料，实现一种符合循环经济理念的污泥处置方式。

1 实验材料与方法

1.1 实验仪器

SX-8-40型箱式电阻炉(北京科伟永兴仪器有限公司)；ALB-124型电子分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司)；DHG-9070A型电热鼓风干燥箱(上海恒科仪器有限公司)；SHA-C型恒温振荡器(常州国华电器)。

1.2 实验材料

本实验以延安污水处理厂剩余污泥为原材料，该污水处理厂采用氧化沟工艺，测污泥含水率为80%左右，将污泥取回后在阴凉通风处自然干燥一周，含水率可降至10%左右。氢氧化钾、碘化钾、盐酸等试剂均为分析纯。

1.3 实验方法

1.3.1 污泥活性炭的制备方法

污泥干化后研磨过80目筛，105℃烘8 h备用。以一定浓度的KOH为活化剂，固液比1∶2.5，20℃恒温水浴活化24 h后，在105℃下烘干12 h。按照实验要求的碳化温度放入马弗炉内炭化一定时间，碳化结束后取出样品，冷却，取适量3 mol/LHCl溶液，浸泡炭化后的污泥60 min(中间适当搅拌)，然后用70℃蒸馏水洗涤至中性(pH=6-7)。再将洗涤后的污泥置于烘箱中105℃干燥12 h。将制得的活性炭研磨，过200目筛备用。

1.3.2 污泥活性炭碘值测定

碘吸附值是评价活性炭性能的重要常规指标，可反应吸附剂中微孔含量，测定采用国家标准方法《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》(GB/T12496.8-1999)。

2 实验结果及分析

2.1 单因素实验分析

2.1.1 碳化温度对碘吸附效果的影响

取活化剂KOH的浓度为0.5 mol/L，分别在300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃下碳化60 min，考察碳化温度对碘吸附值和污泥活性炭产率的影响。

图1 碳化温度对碘吸附值和污泥产率的影响

由图1可知，温度变化对碘值吸附量影响很大，温度过低，活化不够充分，活化属于原料表面含氧基团与碱性活化剂相互作用，大量的反应是活化剂本身羧基脱水形成活性中心的过程，导致制备的活性炭的吸附能力较低。继续升高温度(350～450℃)主要发生活化中间体与反应物料表面的含碳物种作用，引发纵向生孔过程，形成大量微孔，比表面积最大，吸附能力最强。进一步升温，发生微孔内的金属钾离子活化反应，形成大孔，吸附能力减弱。此外，对于污泥原料，其含碳量相对较低，高的活化温度使原本就少的碳素有所损失，暴露更多灰份，吸附能力下降[8，9]。后续选择碳化温度为400℃进行实验。

2.1.2 碳化时间对碘吸附效果的影响

取活化剂KOH的浓度为0.5 mol/L，碳化温度为400℃，分别取碳化时间为20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min。测定相应活性炭的碘吸附值和产率。

由图2可见，随着活化时间的增加，碘吸附值呈现先增大后减小的趋势，碳化时间较短时，活化不够充分，吸附能力较低，50～60 min左右时，活化过程在碳层间形成大量微孔，使整体具有较大的比表面积，吸附能力最高。随着时间的加长，开孔过程逐渐减弱，部分微孔扩展为中孔和大孔，整体比表面积下降，进行影响碘吸附值。后续实验碳化时间取60 min。

图2 碳化时间对碘吸附值和污泥产率的影响

2.1.3 活化剂浓度的影响

取碳化温度为400℃，碳化时间为60 min，分别取活化剂浓度为0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L，0.8 mol/L，1 mol/L的氢氧化钾，测得的活性炭的碘吸附值和产率如图3。

图3 活化剂浓度对碘吸附值和污泥产率的影响

如图3所示，活化产物对碘的吸附能力随氢氧化钾浓度的增大呈现先增大后减小的趋势，0.5 mol/L～0.8 mol/L时最大。这是因为化学活化法的本质是通过加入活化剂产生脱水、缩合、润涨等作用形成孔隙，含碳化合物缩合成不挥发的缩聚碳，产生多孔结构发达的活性炭。因此，活化剂浓度越高，脱水缩合作用越大，产生的空隙结构发达，比表面积大，吸附性能好[10，11]。但KOH浓度太高，洗涤时去除不彻底易使其吸附能力下降，因此最佳活化剂浓度选择0.5 mol/L左右。

2.2 正交实验分析

本研究采用三因素三水平的正交实验L9(33)，进一步考察炭化温度(A)、炭化时间(B)、活化剂浓度(C)三个因素对污泥活性炭碘吸附值和产率的影响，从而确定污泥活性炭制备过程中的主要影响因素和最佳制备条件。正交实验因素水平列于表1中，实验结果及极差分析见表2。

表1 污泥制备活性炭正交实验因素水平表

表2 污泥制备活性炭的正交实验结果

注：Ki代表以碘吸附值作为控制指标的不同水平的平均值，对应的Ri表示不同水平的极差。

Ki′代表以产率作为控制指标的不同水平的平均值；对应的Ri′表示不同水平的极差。

从表2中的Ri值结果可得到制备条件对污泥活性炭的碘吸附值影响大小顺序为：炭化时间(B)>活化剂浓度(C)>炭化温度(A)，三个因素中碳化时间对碘吸附值的影响最大。Ri′值结果可得到制备条件对污泥活性炭的产率影响大小的顺序为：炭化温度(A)>炭化时间(B)>活化剂浓度(C)，三个因素中碳化温度对产率的影响最大。最终以表征活性炭吸附性能的碘吸附值为主要参考标准，比较得出污泥活性炭制备的最优条件A2B1C1，即炭化温度400℃，炭化时间40 min，活化浓度0.3 mol/L，在此条件下制备了一组污泥活性炭，其碘值为308.7 mg/g。

3 结论

(1)以延安市污水处理厂剩余污泥为原料，采用KOH作为活化剂，通过单因素实验研究制备污泥活性炭的碳化温度、碳化时间和活化剂浓度对碘吸附值和污泥产率的影响。

(2)正交实验结果显示选择的因素对污泥活性炭碘吸附值的影响顺序为：炭化时间>活化剂浓度>炭化温度，得出污泥活性炭的最佳制备工艺：炭化温度400℃，炭化时间40 min，活化剂浓度为0.3 mol/L，在此条件下，制备的污泥活性炭的碘值为308.7 mg/g。

[1]赵晶晶.污泥活性炭的制备及其应用研究[D].广州：华南理工大学硕士论文，2013.

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[责任编辑 李晓霞]

Preparation of Sludge-Based Activated Carbon from the Municipal Sewage Sludge

YAO Zhi-heng,LIU YU*,NIU Zhi-rui,ZHANG Ya-qi,FU Ce-wei,REN Jun-lu

(School of Petroleum and Environmental Engineering,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

The municipal sewage sludge was used to prepare the sludge-based activated carbonaceous adsorbent material through a chemically activated method with KOH as activating agent.The correlation effect factors of sludge-based activated carbon derived from sludge was analyzed,which including activation temperature, activation time,and the concentration of activation reagent.The optimum preparation conditions were determined by orthogonal test,The results showed that with the adsorption capacity of iodine as the evaluation index,the effects of various factors on properties of activated carbon decreased in the following order : activation time>activation reagent concentration>activation temperature.The optimum conditions for the preparation of activated sludge was that the activation temperature 400℃,activation time 40 min,the concentration of activation reagent 0.3 mol/L.On the condition,the iodine value of the sludge-based activated carbon was 308.7 mg/g.

sludge-based activated carbon; the adsorption capacity of Iodine; the yield of carbon; chemical activation

2015-01-10

延安市科技局项目(2012kg-11)；延安大学校级科研青年项目(YDQ2014-52)；国家级大学生创新训练计划项目(201310719013)

姚志恒(1992—)，男，陕西汉中人，延安大学石油工程与环境工程学院学生。 *通讯作者

X703

A

1004-602X(2015)02-0070-03