污泥與麥秸共熱解制備吸附劑的研究

王國才，殷志源

(1.河南永煤碳纖維有限公司，河南商丘 476000;2.中國礦業大學化工學院，江蘇徐州 221116)

隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，工業污水處理率逐年提高，污水處理廠的數目和污泥產量也急劇增加，對環境的污染日益嚴重。污泥是污水處理過程中的副產物，是一種由有機殘片﹑細菌菌體、膠體、各種微生物以及有機、無機顆粒組成的極其復雜的非均質體。污泥處理已經成為水處理的重要組成部分。目前，我國處理污泥的方法主要有農用、填埋、焚燒和海洋傾倒。污泥農用主要作為土壤的改良劑，然而，污泥中含有一定量的重金屬和致癌物質，不加處理的暴露在自然界中會導致二次污染;污泥填埋比較經濟，但此法受選址困難、占地面積大、二次污染嚴重，逐漸被人們放棄;焚燒和海洋傾倒，隨著人們環保意識的增強，其消除污染代價太大，已經被環保部門所禁止。作為一個亟待解決的環境問題，如何妥善、科學地處理污泥，正受到前所未有的關注。目前污泥資源化研究已經取得了很大進展并取得了顯著的成果，其中污泥低溫制油技術得到了很好的發展，然而此法得到的油品產物熱值太低，固體殘留量較大，處理代價高，如開發不出高效的催化劑，前景不明朗。

我們研究在污泥中加入一定比例的麥秸制備吸附劑，不僅可以消除傳統方法對環境造成的二次污染，還可以充分利用秸稈中含有的有效成分，提高資源利用率，如麥秸中的有機質可以提高吸附劑中的碳含量［1-2］，另外污泥熱解產物密度大，可以改善秸稈單獨熱解后固體產物易飄飛、不宜儲運等問題。污泥與秸稈共熱解所采用工藝流程簡單，可以大大降低成本。

1 實驗

1.1 儀器和試劑

儀器:Autosorb-1-MP型氣體吸附儀，分析天平(感量0.1 mg)，烘箱，微電腦控溫儀，振蕩器(240次/min)，分樣篩，熱解爐，干燥器，研磨機，碘量瓶，滴定管等。

試劑:碘，分析純;碘化鉀，分析純;硫代硫酸鈉，分析純;重鉻酸鉀，分析純;淀粉指示劑;聚丙烯酰胺(陰離子)。

1.2 原料

所用污泥為污水處理廠的脫水污泥，污泥經干燥粉碎后直接使用。秸桿經自然風干后，粉碎至粒徑2 mm左右備用。污泥和麥秸的工業分析結果見表1。

表1 城市污泥和麥秸的工業分析 %

1.3 吸附劑制備工藝路線(見圖1)

圖1 吸附劑制備流程

1.4 實驗裝置

本研究采用自制的熱解裝置，如圖2所示。由熱解爐﹑熱解反應器﹑冷凝裝置﹑控溫儀和氣相色譜儀等組成。

1.5 吸附劑的制備

將污泥與麥秸按不同的摻混比(干基比為1∶0、7∶3、5∶5、3 ∶7、0 ∶1)混合均勻后，研究熱解溫度為400、500、600、700℃時炭粉的吸附特性。實驗時稱取40 g制備好的試樣放入石英管，連接好冷凝與產物收集裝置，把石英管放入熱解爐，通電加熱至最終溫度，并恒溫30 min。熱解氣經支管排出，可凝性物質經冷凝被收集，不凝性氣體通過導氣管導出。

圖2 熱解裝置圖

1.6 吸附劑性能分析

采用美國Quantachrome公司的 Autosorb-1-MP型氣體吸附儀測定炭粉比表面積和孔結構，測定條件:樣品在300℃和高真空下脫氣10 h，以高純氮為吸附質，在液氮溫度和起始壓力為1.0×10-6Pa下進行N2等溫吸附線的測定;采用GB7702.7—1997《煤質顆粒活性炭試驗方法碘吸附值的測定》配制碘溶液和測定含炭吸附劑的碘吸附值。

2 實驗結果與討論

2.1 吸附劑的碘吸附值

如圖3所示，污泥和麥秸在熱解溫度和混合比例下制得的固體吸附劑的碘吸附規律。在相同的熱解溫度下，隨著秸稈量的增加，碘吸附值增大，這是因為純污泥(1∶0)中的碳含量很低，制得的吸附劑孔隙不夠發達，吸附效果較差;而純秸稈(0∶1)中碳含量較高，制得的吸附劑孔隙較發達，吸附性能較好。在相同的混合比下，400℃熱解時制得的吸附劑碘吸附值最大，在406.6～542.1 mg/g。當溫度高于400℃，會使污泥中含有的較少碳元素大量損失，致使吸附劑性能變差。

圖3 工藝條件對含碳吸附劑碘值的影響

2.2 吸附劑的比表面積

采用BET氮吸附法測定了炭粉比表面積和孔徑分布。圖4為不同熱解溫度與混合比例對炭粉比表面積的影響，從圖上可以看出，污泥和秸稈在相同的混合比下，隨著溫度的升高，炭粉的比表面積均增大，700℃時增大最明顯。污泥中麥秸加入量越大，比表面積隨溫度升高趨勢越明顯。主要原因是:一方面，隨秸稈量增加，混合物料中的有機物含量增大，熱解時形成的揮發分多，揮發分的析出是形成孔隙的主因，導致比表面積增加;另一方面可能受污泥和秸稈碳含量的影響，污泥含碳量很低，而秸稈的碳含量較高，隨溫度升高，孔隙發育充分，導致SBET增大較顯著。

圖4 工藝條件對含碳吸附劑比表面積的影響

純污泥在700℃下熱解制得的炭粉總孔容積最大，達到0.223 6 mL/g，中孔達 0.160 8 mL/g，占總孔容的71.9%。污泥與麥秸以7∶3的比例混合后，700℃熱解制得的炭粉的總孔容積達0.184 6 mL/g，中孔達0.1408 mL/g，占總孔容的76.3%。5∶5摻混熱解后的炭粉總孔容有所下降，但孔徑分布集中，中孔含量達到81.1%，具體見表2。

表2 700℃熱解制得含碳吸附劑的孔結構變化

3 結論

①以污水處理廠脫水污泥為原料，通過加入不同比例的麥秸，在不同的溫度下進行熱解，制備固體吸附劑。在相同的混合比例下，400℃下熱解所得炭粉的碘吸附值最高，在406.6～542.1 mg/g，作為一種廉價吸附劑是可行的。②炭粉的孔徑分布較寬，但以中孔為主，微孔所占比例較小，比表面積較小。隨著秸稈量的增加，中孔和大孔的孔容均降低，微孔容卻不斷增加。③污泥與麥秸共熱解制備吸附劑，麥秸中有機質含量高，可以提高污泥熱解后炭粉的碳含量;污泥熱解產物密度大，可以改善秸稈熱解后易飄飛、不宜儲運等問題。

［1］王泉清，秦瑞豐.用磷酸法制備玉米秸稈活性炭的研究［J］.中國資源綜合利用，2003，(4):17-19.

［2］周新華，齊慶杰，等.玉米秸稈在不同條件下熱解規律實驗研究［J］. 應用能源技術，2006，98(2):1-3.