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利用污泥制备活性炭及其吸附特性的研究进展

2017-10-20张俊杰邵敬爱黄河洵安瑞金前争张世红陈汉平

化工进展 2017年10期
关键词:炭化吸附剂活性炭

张俊杰,邵敬爱,黄河洵,安瑞,金前争,张世红,陈汉平



利用污泥制备活性炭及其吸附特性的研究进展

张俊杰1,邵敬爱1,2,黄河洵3,安瑞3,金前争1,张世红1,陈汉平1,2

(1华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉 430074;2华中科技大学能源与动力工程学院新能源科学与工程系,湖北武汉 430074;3深圳市水务(集团)有限公司,广东深圳518031)

污泥作为城市、工业活动的副产物影响人们生活和生态环境,而以污泥制备污泥活性炭的方式进行资源化利用,使得污泥活性炭作为一种低成本吸附剂可以有效吸附废水中污染物以及脱硫脱硝,从而达到“以污治污”的效果。本文从污泥活性炭的制备方法、吸附特性和吸附反应模型3个方面对污泥制备活性炭研究进展进行综述,着重讨论了污泥来源、炭化方式、活化方式以及添加剂种类等因素对于污泥活性炭制备的影响,阐述了其对于金属离子、染料、抗生素等有害物的吸附特性,在此基础上,本文又列举了近些年污泥基活性炭在吸附过程中对于吸附等温模型以及吸附动力学模型的拟合情况。同时本文指出目前研究局限于制备追求比表面积的活性炭,而且该技术仍存在技术工艺成本较高的问题以及二次污染风险,对研究方向作出展望,即应结合根据不同的污泥来源,选取合适的制备方式以及应用领域。

污泥;活性炭;制备方法;吸附应用

2015年4月16日国务院印发的《水污染防治行动计划》中指出,要加快城镇污水处理设施建设以及推进污泥处理处置进程,着重要求现有污泥处理处置设施应于2017年底前基本完成达标改造,地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%。尽管近年来我国污水处理能力快速提高,但污泥处理技术严重落后,污泥的无害化处理率仅为25.1%,已经成为我国污水处理的短板。目前我国污泥处理现状是填埋和土地利用为主,其他利用方式为辅。污泥资源化方式比较单一,而且利用率也不高,对环境的二次污染较为严重[1],与国外发达国家相比,存在着工艺结构优化和技术转型等问题。更严重的是,我国污泥年产量逐年上升,预计2019年我国污泥的年产量将超过6500万吨[2],因此,如何以环保、成本低廉的有效方法来治理污泥问题迫在眉睫。

以污泥为原料制备活性炭作为新型处理污泥方式受到广泛关注。首先,污泥中含有大量有机物和较多的碳含量,这也使其作为原料制备活性炭成为可能;其次,与传统活性炭相比,污泥基活性炭克服了原料成本过高的问题;最后,通过适宜的活化剂活化后的污泥活性炭,可以较有效地吸附废水中的染料、重金属、化学药物成分等物质,达到“以污治污”的效果。

关于污泥基活性炭的现有综述主要局限于对制备方法中活化方式、活化剂的选择以及其应用范围的介绍,而且介绍的内容不够全面,尤其是在添加剂的选择以及吸附应用的机理方面未有涉及或者涉及不多[3-6]。本文较为全面地介绍了污泥基活性炭制备方法的研究近况,通过对近几年研究中吸附模型拟合情况的数据归纳,初步探究污泥基活性炭的吸附机理。

1 污泥活性炭的制备

1.1 污泥来源的影响

根据污泥来源的不同,有机物、金属离子等污泥成分也会有所不同,从而影响到污泥活性炭的制备、表面结构及其吸附性能[7]。

污泥的来源众多,最常见是城市污水厂污泥,其突出特点是易取量大,大多数文献都是以城市污水厂污泥为原料。而以城市污水厂中的浓缩污泥和脱水污泥制得的活性炭结构上也有不小差异,浓缩污泥基活性炭的比表面积、孔容积和碘吸附值都明显高于脱水污泥基活性炭各值[8]。任爱玲等[9]选择天津东郊污水处理厂污泥作为原料,以40%的ZnCl2溶液为活化剂,制备的污泥活性炭比表面积为193~256m2/g,其对于COD的去除率可达87%,色度去除率达80%。

相比之下,制革污泥低温热解制得的炭吸附效果略差于由城市污泥制得的焦炭,但是制革污泥炭化产物依然具有作为吸附剂的潜力[10]。另外制革废水处理过程中产生的污泥含有部分碎皮屑和毛制物,加之其重金属(如Cr)含量高,对环境影响大,因而也引起研究者所关注。KANTARLI等[11]以制革污泥为原料,利用ZnCl2作为活化剂高温热解活化后制得的活性炭对亚甲基蓝、苯酚和Cr(VI)有优于传统活性炭的吸附效果。

ALATALO等[12]分别对市政污泥和造纸污泥进行水热处理,通过造纸污泥制得的炭含碳量较高,比表面积和孔隙容积较低,而两种污泥制得的炭对Pb(Ⅱ)的吸附效果都很好。高永坤等[13]利用造纸厂废水污泥制备活性炭,运用响应面设计法优化后所制的活性炭对于磷的去除率超过99%。

此外,随着石化行业的不断发展,石油开采、运输、精炼以及其废水处理中含油污泥产量急剧上升,国内外学者对含油污泥的研究也日益增多。MOHAMMADI和MIRGHAFFARI[14]选取伊朗炼油厂的含油污泥制备污泥基活性炭,原料的碳含量高达80%,远远高于其他污泥的碳含量。邓皓等[15]以含油污泥为原料、NaOH为活化剂制备高比表面积活性炭,最佳条件为:炭化温度为500℃,活化温度为800℃,活化时间为1h,浸渍比为2∶1,制得的活性炭比表面积可达2000m2/g。

对于污泥来源的影响,学者们研究还相对较少,需要更为深入和全面的研究,即根据不同的污泥来源,选取合适的制备方式以及应用领域。

1.2 炭化方法的影响

总的说来,炭化是指原料热解为焦炭的过程,具体是在隔绝空气的条件下(惰性气体气氛下)对原料进行加热,加热温度一般不超过800℃。传统炭化方法是通过电阻炉加热炭化污泥,由于其设备种类多,用途广泛,操作方便,大多数学者也是采用此方式炭化。但传统炭化法能耗相对较大,而且如果气体收集不完全,易导致环境污染。

微波加热炭化具有快速、绿色环保、节能等优点,可以很好地克服传统炭化方法的不足。20世纪60年代中期,TINGA等最先提出微波法,到80年代中期才受到广泛关注,随着污泥制活性炭方法的兴起,微波炭化被应用于其中。蔺丽丽等[16]采用微波加热法炭化污泥,以磷酸为活化剂活化,制得的活性炭比表面积达168m2/g,孔隙主要是以中孔的形式存在,将其处理生活污水COD去除率高于87%。DOS REIS等[17]利用响应面设计法,将传统热解方法和微波热解法进行分析和优化,当微波功率为980W,辐照时间为12min,ZnCl2与污泥质量比为0.5时,制得活性炭比表面积最高,可达501m2/g;而传统热解方法则须考虑热解温度、停留时间以及ZnCl2与污泥质量比。LIN等[18]采用中试规模的微波加热装置制备污泥活性炭,主要研究炭化温度和活化剂的选择对于高孔隙率活性炭制备的影响。

然而,上述炭化方法都需要对污泥预先干燥,污泥含水量大的特点不可避免会导致成本增加以及干燥不彻底等问题。水热炭化(HTC)作为一种针对高水分生物质的炭化方法,可以解决污泥干燥问题,而且其具有制备过程简单、固碳效果好、环保节能等突出优点[19-21],近几年被学者所关注并应用于污泥活性炭的制备中。王定美等[22]通过水热炭化的方法制备活性炭,原料为市政污泥和印染污泥,研究结果表明水热炭化法的碳固定效果好。FAKKAEW等[23]采用两步水热炭化法将粪便污泥制备“水热炭”(hydrochar),即水解和炭化两步。研究发现当水解温度为170℃、水解时间为155min、炭化温度为215℃、炭化时间为100min时能量转化率最高。ALATALO等[12]利用水热炭化法将厌氧消化污泥和造纸污泥制备“水热炭”,研究发现水热炭对于Pb(Ⅱ)的吸附效果较好,表明水热炭化法具有巨大潜力可作为制备低成本的金属吸附剂的炭化 方法。

1.3 活化方式的影响

通常来说,直接炭化所得的焦炭孔隙结构不理想导致其作为活性炭的效果不佳,因而需要通过活化来提高活性炭的比表面积,从而提升活性炭吸附性能。常用的活化方式有物理活化、化学活性和 化学物理活化[5]。

1.3.1 物理活化法

物理活化通常是在较高温度下通入氧化气体,使得焦炭内部形成更多孔,原先的孔隙也会被扩大,从而孔隙结构更为发达。常用的物理活化剂有水蒸气、CO2[3]等。

RIO等[24]选择城市污泥为原料,先炭化然后采用水蒸气物理活化法制备活性炭,结果表明,采用水蒸气物理活化后活性炭的比表面积以及吸附效果都有明显的提高,证实了以水蒸气活化污泥制备活性炭的可行性。吴逸敏等[25]同样采用水蒸气活化法制备污泥活性炭,以亚甲基蓝吸附量为指标,分析活化温度、活化时间以及水蒸气流量对指标的影响,所得最优活化条件为:污泥炭化料活化温度750℃,活化时间90min,水蒸气流量15g/h。王红亮等[26]选取青岛海泊河污水处理厂的污泥为原料,利用CO2物理活化法制备活性炭。以亚甲基蓝吸附值为目标,通过正交实验确定最佳工艺条件:炭化温度及时间分别为550℃和90min,CO2流量为250mL/min,活化温度及时间为950℃和120min。

1.3.2 化学活化法

化学活化法是指通过加入化学试剂将原料中的碳氢以水的形式脱离,从而使原料形成发达孔隙结构。与物理活化法相比,化学活化法对于孔隙结构的改善效果更好,活性炭产率更高,但其对设备腐蚀性较大,活化中易产生二次污染,成本较高。常用的化学活化剂有ZnCl2、H3PO4、KOH、H2SO4和NaOH[27]等。图1为本文作者课题组利用污泥制得的活性炭的扫描电镜图。图1分别为在800℃条件下,采用未活化方法以及CH3COOK活化制得的活性炭,可以看出,经化学活化后的污泥基活性炭具有发达的孔隙结构。

ROS等[28]分别采用物理活化(CO2)、化学活化(H3PO4、NaOH、KOH)制备高比表面积污泥活性炭,发现KOH活化效果最好,比表面积为853~1686m2/g,NaOH次之,比表面积为689~1224m2/g。MOHAMMADI和MIRGHAFFARI[14]以含油污泥为原料研究KOH的活化效果,研究发现相比于直接炭化,通过KOH活化的污泥活性炭比表面积更高,可达328m2/g,对Cd的吸附效果明显更优。LI等[29]分别采用ZnCl2、KOH和H2SO4作为活化剂制备污泥活性炭,研究表明所得3种污泥活性炭均可有效去除H2S,其中,经ZnCl2和KOH活化的这两种污泥活性炭脱硫效果均超过了传统活性炭。

图1 污泥基活性炭的扫描电镜图

表1 近些年污泥添加剂的研究结果

注:若浓度为“—”,则固液比为污泥原料与活化剂干重之比。

1.3.3 化学物理活化法

化学物理活化法,即化学活化与物理活化的综合,先利用化学试剂浸渍原料,然后利用气体活化剂活化。采用化学物理活化法制得的污泥活性炭不仅拥有发达的孔隙结构,而且表面具有特殊官能团,有利于提高吸附效果。

尹炳奎[30]采用化学物理活化法制备污泥活性炭,利用ZnCl2作为化学活化剂,分别将CO和水蒸气作为物理活化剂,实验表明ZnCl2与水蒸气组合的化学物理活化法制得的活性炭比表面积较高,可达381.62m2/g,对酸性大红GR染料水的去除率可达99.6%。

1.4 添加剂的影响

添加剂大致可分为改性添加剂、聚合物和增碳剂这三大类。近些年来,学者们对于污泥中加入添加剂的研究越来越多,许多新型的添加剂被学者所挖掘出来。选择合适添加剂的目标也很明确,即为提高活性炭比表面积或者明显改善对某种物质的吸附效果。表1为近些年一些学者们对污泥活性炭添加剂的研究结果。

1.4.1改性添加剂

改性添加剂主要包括重金属单质以及氧化物(如铁、镍、锰及其氧化物),其在活化时一般起催化作用。YANG等[31]采用三价铁离子作为催化剂,将其应用于污泥基吸附剂的热解中,实验表明,经三价铁离子活化后的污泥基吸附剂对于四环素具有更好的吸附效果,原因是吸附剂中的铁氧化物以及含氧官能团通过络合作用吸附了四环素。LI等[32]将铁屑作为添加剂制备污泥活性炭,实验发现添加铁屑后的污泥活性炭对于染料的吸附量明显提高,由156.25mg/g增至243.31mg/g。房平等[33]以二氧化锰为添加剂催化,采用微波炭化-磷酸活化法制备活性炭,研究得出当吸附时间为60min,掺锰活性炭放入量为4g/L,pH为7时污泥活性炭对酸性湖蓝A的吸附效果最好,可达99.4%。汪莉等[34]利用1%软锰矿改性后的污泥活性炭吸附Cu2+,实验结果表明,经软锰矿改性的活性炭对Cu2+的最大吸附值提高了23.33%。这些研究结果表明,加入合适改性添加剂的方法,对于活性炭的某特定物质吸附效果的确具有明显的提高作用。

1.4.2 聚合物

聚合物作为添加剂主要是用于对炭进行造孔,张敏敏等[35]以聚乙二醇为添加剂,对炭基体造孔,成功制备出高比表面积以及微孔结构发达的活性炭。将聚合物加入污泥中也是基于造孔目的:由于其在高温下的不稳定性,会在污泥炭化过程中分解并且留下孔洞,从而增加了活性炭的比表面积。DOS REIS等[36]将聚甲基硅氧烷、原硅酸四乙酯和甲基苯基硅氧烷3种聚合物分别与污泥按比例混合制备活性炭,制得的活性炭表面结构较好,其比表面积较未添加聚合物时均有明显提高。总的来说,学者们对于污泥中添加聚合物的方法研究不多,这也是今后潜在的研究方向。

1.4.3 增碳剂

污泥与传统活性炭原材料相比,含碳量较低,灰分较高,因而在成孔率和成碳率[37]上都难以赶超传统活性炭,这也影响到其表面孔隙结构。故可以在污泥中加入增碳剂以改善上述问题。常用的增碳剂有作物秸秆、花生壳、煤等。研究发现,椰壳的加入对污泥活性炭微孔的产生有显著影响[38],当干污泥与椰壳的质量比为4∶1时,比表面积最大,可达867.61m2/g。周品等[39]以芦苇秸秆为增碳剂,发现在污泥与芦苇秸秆质量比为4∶1、0.5mol/L的KOH为活化剂、炭化温度达600℃的条件下制得的复合活性炭比表面积可达558.1m2/g,含碳量为58.9%,相比于污泥活性炭分别提高9.2%和4.6%。黄冬艳等[40]将大同烟煤与干化剩余污泥以1∶1混合制备污泥-烟煤基活性炭,当浸渍比为1∶2、活化温度及时间分别为550℃和30min时制备的活性炭碘吸附值最大,为990mg/g,比表面积可达836m2/g,当投入量为2.0g/L、pH为6时苯酚的最大吸附量为138.9mg/g。

2 污泥活性炭吸附应用

2.1 吸附金属离子

废水尤其是工业废水中含有大量重金属离子,这些重金属离子会污染土壤、湖泊河流、海洋,又可通过食物链进入人体内,若不加以有效处理,必然会危害生态环境以及人类的身体安全。而大量文献都表明污泥活性炭对于吸附金属离子效果显著,目前研究认为其吸附机理主要是金属离子在活性炭表面发生离子交换作用,此外还存在重金属离子与炭表面含氧官能团之间的化学吸附以及重金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附[50]。ROZADA等[51]分别利用热解污泥后的焦炭以及经ZnCl2活化后的污泥活性炭,吸附Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅲ),结果发现两者对于重金属吸附量关系均为Hg(Ⅱ)>Pb(Ⅱ)>Cu(Ⅱ)>Cr(Ⅲ),同时还发现pH对于重金属吸附量影响显著,而且最佳pH随着吸附质的变化而变化。梁霞等[52]将ZnCl2活化后的污泥活性炭吸附含有Cu2+的废水,研究发现,pH为5时吸附效果最好,而吸附量则是随吸附质溶液浓度增加而增加。柯玉娟等[53]探究污泥活性炭对于Cr6+的最佳吸附条件,发现当初始质量浓度为50mg/L、污泥活性炭加入0.2g、溶液pH为2、吸附时间为90min时吸附效果最好,可去除99%以上的Cr6+。

2.2 吸附染料

印染污水有机物含量高,含有毒化合物,不易生物降解而且排放量大,因而采用吸附法较适宜。此外,大量文献中的实验结果也证明了污泥活性炭吸附染料的可行性。岳钦艳等[54]设计实验探究污泥活性炭对染料的吸附动力学,结果发现,对于活性艳红K-2BP、酸性大红GR和直接紫N这3种染料,平衡吸附量均会随着染料初始浓度或者温度的增大而增大;3种染料的吸附均为吸热过程,而且吸附类型主要以物理吸附为主。李依丽等[55]在利用污泥活性炭吸附次甲基蓝染料废水过程中研究活性炭颗粒粒径及废水pH对吸附量的影响。实验结果表明,颗粒粒径越小、pH越高时,次甲基蓝吸附量越高。SILVA等[56]采用CO2物理活化法制备污泥活性炭,选取活化温度为750℃(所制活性炭比表面积最大)的活性炭吸附雷玛唑亮蓝,实验数据与准二级Freundlich模型最为吻合。此外,热力学参数表明其吸附过程是自发而且吸热的。

2.3 吸附抗生素

抗生素制药废水生物降解较困难,处理成本高,近些年以污泥活性炭吸附抗生素方法处理废水被学者们所关注。YANG等[31]经实验发现,经三价铁离子活化后的污泥基吸附剂对于四环素具有更好的吸附效果,原因是吸附剂中的铁氧化物以及含氧官能团通过络合作用吸附了四环素。OCAMPO- PÉREZ等[57]着眼于污泥基吸附剂对于四环素吸附的动力学研究,发现准一级动力学模型能最好地解释吸附四环素的动力学过程,吸附率主要由内部扩散过程所决定,而内部扩散中超过80%均为孔扩散,从中也可看出孔隙结构对于吸附过程至关重要。姚宏等[8]采用正交实验以加替沙星吸附量为指标得出最优条件:初始浓度为200mg/L,投入量为0.05g,pH为9,吸附时间2h,此时浓缩和脱水污泥活性炭的吸附量分别34.541mg/g和34.925mg/g。

2.4 吸附酚类物质

酚类物质不仅气味难闻,而且大多数是致癌物质,主要存在于炼油厂、造纸厂、皮革厂等厂的工业废水中。近些年学者利用污泥活性炭吸附酚类物质也是屡见不鲜。其中,MOHAMED等[58]研究污泥活性炭对于对硝基苯酚、对氯苯酚、对羟基苯甲酸以及苯酚的吸附作用,实验表明,尽管污泥活性炭的比表面积远低于高性能活性炭,但其吸附量却达到高性能活性炭的一半,可见污泥活性炭具有作为低成本吸附剂吸附酚类物质。此外,污泥活性炭对4种酚类物质吸附量由高到低依次为:硝基苯 酚>对氯苯酚>对羟基苯甲酸>苯酚。PIRZADEH等[59]制备污泥活性炭吸附苯酚,研究发现pH为6~7、吸附剂用量为3g/L、吸附温度为25℃、初始浓度为50mg/L时吸附效果最优,吸附量为15.04mg/g。

2.5 脱硫脱硝

学者们对污泥活性炭在废水处理方面研究颇多,相比而言,对于脱硫脱硝方面并不太多。LI 等[29]分别利用ZnCl2、KOH和H2SO4活化制备污泥活性炭,研究发现通过ZnCl2以及KOH活化的活性炭对于H2S的吸附效果优于H2SO4所活化的活性炭,其穿透时间达86min,H2S吸附容量为7.7mg/cm3。总体说来,污泥活性炭的脱硫脱硝性能并不理想,与商品活性炭相比仍有差距[60],因而学者们大多通过加入添加剂的方法改善活性炭脱硫脱硝性能。余兰兰[61]与WU[49]等分别以MnO2和玉米棒作为添加剂制备污泥活性炭,其对于SO2的吸附效果均远优于未加添加剂的污泥活性炭。范晓丹 等[62]则是以壳聚糖作为添加剂,研究发现壳聚糖中的含氮含氧官能团有利于SO2和NO的吸附氧化,另外加入添加剂带来的比表面积的提高也会优化吸附性能。故选择合适的添加剂对于提高污泥活性炭的脱硫脱硝性能意义重大,这也有待学者们去深入挖掘并研究其机理。

3 吸附反应模型

3.1 吸附等温模型

吸附等温线是指当吸附过程达到平衡时,描述体系中吸附剂表面和溶液中吸附质数量关系的 线[63]。而通过吸附等温线可以预测出未经实验研究的吸附情况,亦可分析吸附行为。常用的吸附等温模型有Langmuir吸附等温模型和Freundlich吸附等温模型。

Freundlich吸附等温方程见式(1)。

式中,F和都为常数;为平衡吸附物浓度。

Langmuir吸附等温方程见式(2)。

式中,m为单层吸附容量;L为常数。

学者们对于污泥活性炭吸附情况进行实验研究,数据结果与这两种吸附等温线拟合情况较好,具体见表2,这也说明溶液中污泥活性炭吸附过程可利用某种吸附等温模型所表示。

由表2可以看出,绝大数的吸附过程均可以通过Langmuir方程或Freundlich方程很好描述出,这说明污泥基活性炭对于大多数物质的吸附,既存在单层的Langmuir吸附,又存在多层的Freundlich吸附[69]。另外,以不同制备方式制得的污泥基活性炭对于相同物质的吸附量不同,退一步讲,即使是相同污泥基活性炭,在不同吸附条件下其对于某物质的吸附量也有不小差异[70]。因而,高比表面积并不意味着高吸附性能,其他因素也会影响污泥基活性炭的吸附性能,如活性炭表面含氧官能团的量、吸附条件[71]等。

3.2 吸附动力学模型

根据许多文献数据,可知准一级动力学模型、准二级动力学模型和颗粒内部扩散模型这3种模型对于污泥活性炭在溶液中吸附的动力学过程模拟较为准确。表3 对部分文献所研究的吸附动力学模拟情况进行列举。

准一级动力学方程见式(3)。

准二级动力学方程见式(4)。

颗粒内部扩散方程见式(5)。

式中,e为吸附平衡时吸附剂对吸附质的吸附量;q为时刻下吸附剂对吸附质的吸附量;1为一级吸附动力学方程速率常数,min–1;2为二级动力学方程速率常数,g/(mg∙min);p为颗粒内部扩散常数,mg/(g∙min0.5)。

表2 Langmuir方程或Freundlich方程的拟合情况

从表3可知,准二级动力学模型可以较为准确地模拟污泥活性炭在溶液中吸附的动力学过程。准二级吸附动力学模型基于假设化学吸附是速率控制步骤建立的[72],因此,化学吸附作用在污泥基活性炭的吸附过程中不可忽视。这也再次印证了比表面积无法全面反映污泥基活性炭吸附特性的观点。

4 结语

利用污泥为原料制备污泥基活性炭,吸附效果较好,成本较低,环境友好,可以达到“以污治污”的效果,因而具有广阔的研究和应用前景。

国内外学者对于污泥活性炭的制备与应用进行了较为系统的研究。目前,专家学者们主要以提高污泥活性炭比表面积,或者提升对于特定物质的吸附效果这两方面展开研究,包括污泥预处理、添加剂类型、炭化条件、活化条件、后处理等问题上进行改进与优化。在活化方式的研究中,化学活化被证实比物理活化更易于制备出高比表面积活性炭,但是化学活化所带来的高成本、二次污染等问题也有待学者们研究解决。

表3 3种常见动力学方程的拟合情况

从环境效益的角度上来讲,以污泥作为原料制备活性炭,可以达到“以污治污”的环境友好效果,不失为一种优越的方法。从经济性的角度上来讲,该技术工艺成本较高[73],这也是该技术亟需解决的问题。而对于产物污泥基活性炭优劣的评价,归根结底是对吸附效果的评判。一味地追求产物的高比表面积,一方面,成本的加剧会使该技术原本就薄弱的经济性变得更加不堪一击;另一方面,产物高比表面积的品质却无法换来等值的吸附性能,吸附效果不单单取决于比表面积,还收到化学吸附作用以及吸附条件的影响。因此,学者们应足够重视对于污泥基活性炭吸附机理的深入探究,结合根据不同的污泥来源,选取合适的制备方式以及应用领域,从而寻找出适合污泥自身特点的提高(某特定物质)吸附特性的方法。

此外,对于大多数重金属、染料物质的吸附机理学者们也有较为深入的研究,但是对重金属吸附的研究局限于单一离子,今后可以从多种重金属离子吸附时的互相作用方面进行联合吸附研究。而对吸附效果的判定,也不能单纯根据吸附率来判断,应该考虑吸附剂用量下的吸附率。

研究和开发以污泥为原料的具有不同功能的环境友好型的活性炭,不仅可以为污泥的减量化和稳定化提供新的选择,而且可以为污泥的无害化和资源化利用开拓新的方向,对环境、经济和社会都具有十分重要的意义。

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Review on the preparation of activated carbon from sludge and its adsorption characteristics

ZHANG Junjie1,SHAO Jingai1,2,HUANG Hexun3,AN Rui3,JIN Qianzheng1,ZHANG Shihong1,CHEN Hanping1,2

(1State Key Laboratory of Coal Combustion,School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China;2Department of New Energy Science and Engineering,School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China;3Shenzhen Water Group,Shenzhen 518031,Guangdong,China)

As a by-product of civil and industrial activities,sludge influences people's life and the ecological environment greatly. The preparation of activated carbon from sewage sludge can solve this problem,which also makes it possible to fight against pollution by means of pollution. The activated carbon derived from sewage sludge is a kind of low-cost adsorbent,which can effectively adsorb pollutants in wastewater,desulfurization and denitrification. This paper reviewed the research progress of sewage sludge based activated carbon through three main areas:preparation,adsorption properties and adsorption models. The effects of the sludge source,carbonization,activation and additives on sludge activated carbon preparation were discussed. The adsorption properties for metal ions,dyes,antibiotics and other harmful substances were elaborated. On this basis,this paper also listed theisothermal adsorption model and adsorption kinetics model fitting of the sludge based activated carbon in adsorption process. At the same time,this paper points out that present research is confined to the pursuit of activated carbon with high surface areas,and there are still the problems of high cost technology and the risk of secondary pollution in this technology. Finally,the research direction is proposed,which are the appropriate preparation methods and applications should be studied based on the sludge from different sources.

sewage sludge;activated carbon;preparation method;adsorption application

X703

A

1000-6613(2017)10-3876-11

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0193

2017-02-08;

2017-05-24。

国家自然科学基金(51661145010,51576088)及深圳市 科技计划(JSGG 20160229173603657)项目。

张俊杰(1993—),男,硕士研究生,研究方向为固废处理与污染物控制。E-mail:Zhangjunjie@hust.edu.cn。

邵敬爱,副教授,研究方向为生物质高效资源化利用。E-mail:jashao@ hust.edu.cn。

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