不同活化剂改性污泥基生物炭材料的制备

朱晓轩 王旭 陈熙 范广建 莫凡 邓文贺 张冉 黄昕

摘 要：以氢氧化钾与氯化锌为活化剂，分别活化城市污水处理厂的污泥与生物质竹屑，并分别热解制备了2种吸附性能良好的生物炭。结果表明，2种活化剂均有其适宜的热解终温和热解时间范围，制得的生物炭均具有良好的碘吸附值特征。采用扫描电镜、比表面积和孔隙率分析仪对生物炭的理化性质和多级孔结构进行了表征。浸渍预处理后，KOH提供了更多的功能组分，并与C反应，扩大了生物炭的孔结构。在600℃共热解后，比表面积达到1698.32m2/g，微孔面积为1052.90m2/g。

关键词：城市污水厂污泥;竹屑;生物炭;氯化锌;氢氧化钾

中图分类号 X703.1   文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）20-0083-05

Preparation of Modified Sludge Based Bio-char Materials with Different Activators

ZHU Xiaoxuan et al.

（School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819， China）

Abstract： Two kinds of bio-char with good adsorption performance were prepared by co-pyrolysis of sludge and bamboo chips in municipal sewage treatment plant with potassium hydroxide and zinc chloride as activator. The results show that the two activators have a suitable range of pyrolysis time and the obtained bio-char has good iodine adsorption value. The physical and chemical properties and multi-stage pore structure of bio-char were characterized by SEM， specific surface area and porosity analyzer. KOH provides more functional components after impregnation pretreatment， and reacts with C， which expands the pore structure of biochar. After co-pyrolysis at 600 ℃， the specific surface area was 1698.32m2/g and the microporous area was 1052.90m2/g.

Key words： Municipal sludge;Bamboo chips;Bio-char;Zinc chloride;Potassium hydroxide

隨着城市化进程的迅速发展，污水处理厂的数量随之大幅增加，也进一步带来了污泥产量的大幅增加[1]。城市污水处理厂所产生的污泥来自于生物处理污水过程所产生的副产物，污泥不仅包括有机污染物、致病菌、微量重金属等有毒有害物质，还含有大量的有机-无机碳、氮、磷、钾等营养物质[2]。利用污泥碳元素高的特点，在一定温度下进行热解，其中的有毒有害物质得以无害化、减量化处理，剩余固态残渣能有效保留其中的碳元素，形成具有高附加值的生物炭[3]。同时，污泥中的重金属元素在高温热解中转变为特殊结构残渣态，呈惰性，不能被生物所吸收利用，也不能通过食物链在人体内积累，是最安全的重金属形态。

竹屑是生产工艺中的一种废弃物，其作为一种生物质，适合热解炭化。与麦秆、甘蔗渣相比，竹屑的有机质含量丰富，灰分含量低。竹屑中纤维素和半纤维素含量高于杂木屑，木质素含量也高于杂木屑。这些性质可以增加生物炭的比表面积，丰富多孔结构，提高生物炭的吸附能力。化学活化剂对生物炭的吸附特性具有重要的影响意义。最常用的化学活化剂有氯化锌（ZnCl2）、磷酸（H3PO4）和氢氧化钾/碳酸盐等。KOH在热解过程中对孔隙率的形成起着重要作用，且不含重金属，因而KOH被用作化学活化实验[4]。近十几年来，热解法逐渐应用于废弃物的综合利用中[5]，并被认为是最有前途的废弃物处理技术之一[6]。热解技术为污泥的稳定和资源化利用提供了一种实用有效的方法[7]。同时，热解可以使污泥体积最小化，杀灭微生物和寄生生物的卵，并将有机物转化为生物炭，产生潜在有用的生物油和热解气体，以供再利用[8]。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 实验仪器 THZ-82型调速多用振荡器，常州国华电气有限公司;DHG-9070A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;SQP型电子分析天平，Sartorius;LG16-A型离心机，北京雷勃尔离心机有限公司;KQ5200超声波清洗仪，昆山超声仪器有限公司;HJ-3型恒温磁力搅拌器，常州国华电气有限公司;vario EL cube V 1.2.1型元素分析仪，Elementar Analysensysteme;Prodigy XP型电感耦合等离子体原子发射光谱仪，PANalytical B.V.;Ultra&Plus型扫描电子显微镜，ZEISS;OTF-1200X管式高温热解炉，合肥科晶材料技术有限公司;GZK-101型真空机组，合肥科晶材料技术有限公司。

1.1.2 材料 本研究所使用的城市污泥来自中国城市污水处理厂。竹屑是竹制品生产过程中产生的固体废弃物。通过加入4wt‰的聚丙烯酰胺对城市污泥进行稳定化处理，然后脱水、风干。污泥初始pH值为5.86。