KOH 活化制備脫水污泥活性炭

衛新來，俞志敏，吳克，王小丹，王文奎

(1.合肥學院 生物與環境工程系，安徽 合肥 230601;2.安徽省固體廢棄物能源化工程技術研究中心，安徽 合肥 230601;3.安徽省環境污染防治與生態修復協同創新中心，安徽 合肥 230601)

脫水污泥是污水處理廠在污水處理過程中形成的二次產物，每1 萬t 污水產生1 ～3 t 的干污泥［1］。脫水污泥除含有大量的水外，還含有難降解的有機物、重金屬、鹽類，以及少量的病原微生物和寄生蟲卵等，如果處理不當，會形成二次污染，對周圍環境造成一定的危害［2-3］。我國脫水污泥產量巨大且資源化利用率不高，脫水污泥的污染問題亟待解決。

傳統的脫水污泥處理方法有衛生填埋、農田和森林施肥、焚燒、投海等［4-5］。衛生填埋是目前脫水污泥主要的處理方式，因其需要占用大量的土地面積，已不能適應可持續發展的要求［6］;而農田和森林施肥等受到接納土地環境容量的限制，及潛在重金屬污染的限制［4］;焚燒技術涉及灰渣處理和煙氣處理等問題，且能耗大、成本高［5］。因此，尋求低成本的脫水污泥處理新技術一直是各國關心的問題。

活性炭是一種具有發達細孔結構和巨大比表面積的含碳吸附劑，能有效地吸附污染物［7］。脫水污泥活性炭是利用城市污水處理廠產生的脫水污泥制備的活性炭，是20 世紀80 年代后期出現的一種新型污泥利用途徑［8-9］。污泥中包含有大量的微生物體和有機物，具有較高的熱值和含碳量，使得采用污泥為原料生產活性炭成為可能［10］，這不但從根本上解決了污泥處理難的問題，更是為降低活性炭的生產成本提供了一種方法［11］。

本研究以某生活污水處理廠的脫水污泥為研究對象，以KOH 為活化劑，采用化學活化工藝制備脫水污泥活性炭，對堿泥比、活化劑濃度、活化溫度及活化時間等影響因素進行了優化、研究，并用制備的脫水污泥活性炭進行應用研究，從而證明脫水污泥作為制備脫水污泥活性炭的原料是可行的，為污水污泥合理的資源化利用提供一條重要途徑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

脫水污泥，取自六安市某污水處理廠;氫氧化鉀、鹽酸、無水硫代硫酸鈉、無水碳酸鈉、可溶性淀粉、碘、碘化鉀均為分析純。

AA6300 型原子吸收光譜儀;TMP-3 型分析天平;OTF-1200X 型管式電阻爐;721E 可見分光光度計。

1.2 脫水污泥樣品的處理

從污水處理廠取回的脫水污泥含水率較高，濕基含水率為73%，自然風干后，烘箱中105 ℃烘至恒重，然后粉碎過100 目篩，保存于棕色瓶中備用。

1.3 污泥活性炭的制備

取一定量的干燥脫水污泥與一定量的KOH 溶液混合并攪拌均勻，將混合好的料液在常溫下放置24 h，然后將浸漬好的料液過濾，濾餅105 ℃干燥6 h;取一定量干燥后濾餅放入電阻爐中，N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，溫度到達設定所需要的活化溫度時開始記時，此記錄時間為活化時間。活化完成后用稀鹽酸和蒸餾水分別洗滌，去除殘留在炭中的雜質，將洗滌后的活性炭放入烘箱中，在105 ℃烘至恒重，然后冷卻得到脫水污泥活性炭備用。

1.4 吸附性能測試

為考察制備的活性炭的吸附性能，本實驗以樣品對碘的吸附值作為衡量其吸附性能優劣的標準。碘吸附值按照GB/T 12496.8—1999《木質活性炭試驗方法 碘吸附值的測定》的標準方法測定。

2 結果與討論

2.1 堿泥質量比的影響

將質量濃度為40%的KOH 溶液與干燥脫水污泥按照一定的堿泥比混合，保持活化溫度為500 ℃，活化時間為60 min，制備相應的污泥活性炭。圖1為不同堿泥比條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值曲線。

圖1 堿泥比對活性炭碘吸附值的影響Fig.1 Effect of mass ratio of potassium hydroxide to sludge on adsorption of the activated carbon

由圖1 可知，隨著堿泥比增大，污泥活性炭對碘的吸附值也隨之增加，到達最大值后又逐漸降低。當堿泥比為1 時，參與污泥活化反應的活化劑量較小，產生的孔道較少，導致吸附值較低;隨著堿泥比的增加，參與反應的活化劑逐漸的增多，從而使得KOH 對污泥的造孔作用增加，吸附能力不斷增加。當KOH 對污泥的造孔作用達到飽和時，活化劑的開孔、擴孔作用不明顯，但過多的活化劑可能導致孔道坍塌或堵塞，破壞已經形成的孔道結構，引起吸附性能的下降。因而選擇KOH 與污泥的質量比3 為較適宜的堿泥比。

2.2 活化劑濃度的影響

圖2 為堿泥比為3，活化溫度為500 ℃，活化時間為60 min，不同KOH 活化劑濃度條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化曲線。

圖2 活化劑濃度對活性炭碘吸附值的影響Fig.2 Effect of activator concentration on adsorption of the activated carbon

由圖2 可知，制備的活性炭對碘的吸附值是先逐漸提升，然后有所下降。可能是由于在活化劑濃度較低時，相對于原料KOH 的量偏少，不能將污泥原料全部活化;而當KOH 濃度增加后被活化的原料也隨之增加，從而對碘的吸附值也不斷增加;當KOH 對原料的活化達到飽和時，過多的活化劑會破壞已經形成的微孔結構，從而導致吸附性能降低。綜上分析，可以得出適宜的活化劑濃度為40%，所獲得的活性炭吸附效果最好。

2.3 活化溫度的影響

在堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化時間為60 min 條件下，考察不同活化溫度時制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化情況，結果見圖3。

圖3 活化溫度對活性炭碘吸附值的影響Fig.3 Effect of activation temperature on adsorption of the activated carbon

由圖3 可知，400 ～500 ℃活性炭對碘的吸附值隨溫度升高而增大，500 ℃時碘吸附值達到最大，為627 mg/g。這可能由于KOH 活化污泥需要較高的活化能，而在較低溫度時多數原料不能與KOH 反應，而升高溫度會增加其與KOH 反應的數量，因而碘吸附值也隨之增加。而溫度達到600 ～700 ℃時，碘吸附值隨溫度下降，這可能由于過高的溫度使已經形成的微孔被擊穿形成大的孔隙，活性炭的吸附性能降低。另外過高的溫度會增加灰分的形成，從而降低活性炭的產率和吸附性能。綜合考慮，500 ℃為較適宜的活化溫度。

2.4 活化時間的影響

圖4 為堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化溫度為500 ℃，不同活化時間條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化曲線。

圖4 活化時間對活性炭碘吸附值的影響Fig.4 Effect of activation time on adsorption of the activated carbon

由圖4 可知，隨著活化時間的增加，碘吸附值是先逐漸增加而后降低，活化時間為60 min 時碘吸附值最大，為638 mg/g。可能由于活化時間較短時，污泥不能為KOH 充分反應，所以形成的微孔有限;隨著活化時間的延長，反應程度增大，微孔數量增加，碘吸附值因而有所提升;當活化時間超過60 min時，KOH 進一步作用，使已經形成的微孔孔道坍塌或形成大孔，孔道結構改變導致吸附性能的下降。因此過短或過長的活化時間都不利于活性炭微孔的形成，故而最佳的活化時間為60 min。

2.5 污泥活性炭的初步應用

在實驗選定堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化時間為60 min，活化溫度為500 ℃條件下重復3 次制備的污泥活性炭，其碘吸附值分別為630，635，628 mg/g，平均為631 mg/g。所制備的污泥活性炭碘吸附值接近于GB/T 13803.2—1999《木質凈水用活性炭》標準中二級品的質量指標(碘吸附值≥900 mg/g)和普通商品活性炭，說明此KOH 化學活化脫水污泥制備污泥活性炭具有一定的可行性。

用最優條件下制備的污泥活性炭處理某電鍍廠的電鍍污水。活性炭的加入量為15 g/L，吸附時間為60 min，溫度為30 ℃，電鍍廢水中主要重金屬質量濃度變化見表1。

表1 電鍍廢水中重金屬質量濃度變化Table 1 The change in the heavy metal concentration of electroplating wastewater

由表1 可知，污泥活性炭對電鍍廢水中主要重金屬的平均去除率可以達到73.46%，對重金屬吸附去除效果良好。

3 結論

以城市污水處理廠脫水污泥為原料，采用KOH化學活化法，制備出活性炭。確定適宜的制備工藝條件為:堿泥比3，活化劑濃度40%，活化溫度500 ℃，活化時間60 min。在該條件下制備的污泥活性炭平均碘吸附值為631 mg/g，用其處理電鍍廢水效果良好，對重金屬的平均去除率可以達到73.46%。

本文研究表明，以脫水污泥為原料制備污泥活性炭是可行的，所獲得污泥活性炭具有良好的吸附效果，可以用來去除廢水和廢氣中污染物。污泥活性炭制備原料成本相對較低，能實現污泥減量化、無害化與資源化，這有助于解決脫水污泥處理難的問題，為脫水污泥的資源化利用提供一條重要途徑，具有良好的環境和社會效益。

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