污泥粉煤灰制備活性炭的方法及活性炭吸附性能研究

尚建疆

摘要：炭化法、物理活化法、化學活化法、物理化學活化法以及微波活化法等是活性炭制備過程中較常采用的幾種方法，基于對各種方法優缺點與適用方向的比較，文章采用化學活化法，以污泥與粉煤灰為材料進行活性炭的制備，通過實驗，活性炭制備的最佳工藝條件應為粉煤灰、干污泥與ZnCl2質量比3：10：3，活化時間80min以及活化溫度500℃最后，出于進一步節約資源與保護環境的目的，文章分析了活性炭的再生問題，指出超聲波、催化濕式氧化、超臨界流體等再生法是人們長期以來對活性炭再生技術進行探索的重要方向.

關鍵詞：污泥;粉煤灰材料;活性炭;碘吸附值

中圖分類號：X703;0647.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0061-05

污泥是污水處理廠在對污水進行處理時形成的二次產物，污水廠每天都會產生很多污泥，若處理不當，會造成二次污染，在一定程度上危害周圍環境。填埋、農用、焚燒、低溫熱解、高溫堆肥、制作環保材料與吸附劑等是污泥的常規處理方法，但是，這些方法存在一定的局限性，進行處置污泥新方法以及資源化綜合利用新途徑的探尋，在污泥處置問題的解決方面意義重大。

污泥中碳質有機物豐富，是制造活性炭所需的原料成分，以污泥為原料進行活性炭的制備，可在節省煤與木材等珍貴資源的同時，解決污泥處置這一環境難題，以廢治廢，變廢為寶，實現污泥的資源化。粉煤灰具有多孔結構，孔隙率與比表面積大，作為水處理吸附材料有明顯優勢。為優化傳統僅以污泥為原料制備的活性炭的吸附性能，文章以粉煤灰為切人點，適當混合污泥與粉煤灰，采用化學活化法進行污泥粉煤灰活性炭的制備，同時通過實驗研究活性炭的吸附性能，明確制備的最佳工藝參數，提供有效的工程參數參考于此類活性炭在染料廢水處理中的應用。

1活性炭的制備方法與選擇

在進行活性炭制備之時，可采用的方法比較多，主要包括炭化法、物理活化法、化學活化法、物理化學活化法以及微波活化法等，通常涉及高溫熱解（炭化）與活化兩個過程，其中，炭化即將原料熱解為碳渣，活化則是結合各種要求將炭化物變為所需要的多孔物質。

1.1活性炭的主要制備方法

1.1.1炭化法

以對空氣的隔絕為前提，在高溫狀態下執行對原材料的分解處理，達到將原材料中所含CO、CO2、H2與水蒸氣等成分的析出目的，使其成為由微晶體（微晶大小取決于原材料成分、結構及碳化溫度）組成的碎片，然后，對這些碎片進行重新整合，得到穩定的多孔結構。采用炭化法制得的活性炭吸附劑比表面積比較小，且孔結構相對單一，會對其吸附性能產生影響。

1.1.2物理活化法

利用合適的氧性化氣體，將它們的氧化作用發揮出來，使原材料中所含的部分有機質在這些氣體的作用下燃燒，并在燃燒過程中于自身內部形成新孔，實現對原孔的擴大處理，最終得到更加發達的孔隙結構。就污泥而言，非多孔物質是它的主要無機組成內容，在采用物理活化法，經水蒸氣、二氧化碳或空氣等氧性化氣體將碳燃燒掉之后，得到的活性炭比表面積亦不大。

1.1.3化學活化法

一些化學藥劑（如NaOH、H2SO4等）含有較強的腐蝕性，以此為突破口，可將這些藥劑作為材料，用以刻蝕原料中所含有的有機物質，讓它們在化學反應中生成水蒸氣以及小分子的碳氫化合物，并進一步與原料相分離，最終獲得不含這些成分的，具有發達孔隙結構的碳微晶。

1.1.4物理化學活化法

即在物理活化之前先采用合適的化學藥劑對原料進行浸漬處理，這一過程需要嚴格把握浸漬比與浸漬時間等各項條件，以達到獲取孔徑分布合理的活性炭材料的目的。這類活性炭材料比表面積大、中孔多，對于液相中的大分子物質有較強的吸附能力，適用性更加突出。采用物理化學活化法進行活性炭制備的過程中，可以將一些特殊的官能團添加在活性炭的表面，這有利于活性炭吸附能力的增強，對特定的污染物有更好的吸附性能。

1.1.5微波活化法

亦即采用微波加熱的方式執行對原料的熱解與炭化處理，在相應的反應之下獲取活性炭吸附劑。與傳統的活化方法相比，這種方法優勢更加明顯，主要體現在活性炭制備效率高、能量消耗少、成本低、環保性能佳等方面。

1.2主要制備方法比較與選擇

主要制備方法比較與選擇如表1所示。

從表1所示，通過活性炭幾種制備方法的比較。相較而言，學者對化學活化法展開的研究比較多，制得的活性炭較之炭化法與物理活化法制得的活性炭有更好的吸附效果，結合對技術使用成熟度的考慮，文章的實驗分析部分亦采用化學活化法。

2實驗部分

2.1實驗材料

污泥與粉煤灰分別取自某市污水處理廠與電廠，如表2所示，為實驗所用的兩種材料性質。

2.2活性炭制備工藝流程

采用化學活化法制備活性炭，主要按預處理、熱解、活化、后續處理的流程進行，其中，熱解與活化最為重要。制備活性炭之時，在一定比例的污泥與粉煤灰中添加活化劑浸漬活化處理，同時執行炭化與活化任務。

具體而言，采用化學活化法制備活性炭需完成以下工作：①在烘箱中以110%的溫度干燥污泥，將其含水率降低到10%以下，然后對其進行研磨與過篩處理，保留粒徑范圍低于100目的污泥顆粒;②按照一定的比例將污泥與粉煤灰混合均勻，之后與一定濃度的活化劑混合，在常溫下浸漬24h，干燥到重量不再變化的狀態;③將處理后的原材料放入燃燒舟中，然后放置到管式爐內，在升溫之前，先以較大的氮氣流量向爐內通氮氣（時間為30min），達到將空氣排出的目的，然后，調小氮氣流量至300mL/min的水平，按照10°C/min的升溫速率升溫，在設定的溫度下保持一定的時間，之后冷卻，繼續通人氮氣，直到爐內的溫度降低到室溫水平，取出活性炭樣品;用1mol/L的鹽酸與70-80%的蒸餾水對熱解之后的活性炭進行洗滌，干燥處理，得到以污泥與粉煤灰為原料的活性炭?；钚蕴恐苽涔に嚵鞒倘鐖D1所示。

2.3測試方法

用碘吸附能力表示制得活性炭的吸附能力，測定過程采用Na2S2O3溶液滴定方法。

2.4實驗結果

2.4.1粉煤灰與污泥的最佳比例

保持干污泥與ZnCl2溶液（質量分數為30%）的質量比（10：3）、活化溫度（500%）以及活化時間（80min）各項因素不變，僅改變粉煤灰的質量，使其以不同比例與干污泥混合，對制得的活性炭吸附碘的能力進行測量，得到不同粉煤灰與干污泥比例下活性炭碘吸附值如圖2所示。

根據圖2可知，活性炭對碘的吸附能力隨著粉煤灰與干污泥比例的上升（亦即粉煤灰的添加量）而增強。不摻人粉煤灰時，活性炭的碘吸附值為277.93mg/g，逐步增加粉煤灰的添加量，在其與干污泥的質量比達到3：10之前，制得活性炭的碘吸附值均呈大幅度上升之勢，而在到達3：10的質量比之后，進一步增加粉煤灰的添加量，活性炭碘吸附值上升得不再明顯。出于既保證活性炭的吸附能力，又對資源浪費現象予以避免的目的，粉煤灰與干污泥的最佳比例應為3：10。

2.4.2ZnCl2與污泥的最佳比例

按3：10的比例對粉煤灰與干污泥進行混合，之后加入不同量的ZnCl2，保持活化溫度（500%）與活化時間（80min）不變，對制得的活性炭吸附碘的能力進行測量，得到如圖3所示結果。

根據圖3可知，活性炭對碘的吸附能力亦隨著ZnCh與干污泥比例的上升（亦即ZnCl2的添加量）而增強。不摻人ZnCl2時，活性炭的碘吸附值為270.05mg/g，逐步增加粉煤灰的添加量，在其與干污泥的質量比達到3：10之前，制得活性炭的碘吸附值均呈大幅度上升之勢，而在到達3：10的質量比之后，進一步增加ZnCh的添加量，活性炭碘吸附值上升得不再明顯。同樣出于既保證活性炭的吸附能力，又對資源浪費現象予以避免的目的，ZnCl2與干污泥的最佳比例也應為3：10。由此，粉煤灰、干污泥與ZnCl2的最佳比例為3：10：3。

2.4.3最佳活化時間

保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例為3：10：3以及活化溫度（500%）不變，改變活化時間，對制得的活性炭吸附碘的能力進行測量，得到如圖4所示結果。

根據圖4可知，活性炭對碘的吸附能力隨著活化時間的增加先增強后減弱，當活化時間為80min時，活性炭碘吸附值達到最大值375.87mg/g，若時間進一步增加，活性炭的吸附性能不升反降。究其原因，在于活化程度會隨反應的進行而不斷加深，如果超過一定的時間值，擴孔程度會越來越明顯，一些微孔擴展為中孔或大孔，這會降低活性炭微孔孔容與比表面積，進而削弱活性炭的吸附能力。由此，最佳活化時間為80min。

2.4.4最佳活化溫度

保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例為3：10：3以及活化時間（80min）不變，改變活化溫度，對制得的活性炭吸附碘的能力進行測量，得到如圖5所示結果。

根據圖5可知，活性炭對碘的吸附能力隨著活化溫度的上升先增強后減弱，當活化溫度達到500%時，活性炭碘吸附值達到最大值375.87mg/g，若溫度進一步升高，活性炭的吸附性能不升反降。究其原因，在于在溫度到達某一水平（500%）仍不斷升高之時，ZnCh會逐漸氣化與氧化，對炭結構的保護機能逐漸降低，造成活性炭吸附性能的減弱。由此，最佳活化溫度為500%。

3活性炭的再生

在活性炭的吸附功能完全發揮出來，亦即達到吸附飽和的程度之后，如果將其隨意地廢棄，還會造成資源的浪費，有時甚至會出現二次污染，因此需對其再生問題進行考慮。所謂活性炭再生，指以不破壞活性炭原有結構為前提，采用物理或者化學方法將在活性炭微孔處吸附的那些物質除去，經過相應的處理再次賦予活性炭吸附性能，實現重復使用?；钚蕴吭偕饕譃閮煞N類型：①吸附質脫附;②吸附質分解。前者指將活性炭所處的環境改變，令其達到吸附質容易與活性炭相脫離的狀態，這一條件可通過降低壓力或濃度、升溫以及使用化學藥品來實現。但是，在利用活性炭處理污水之后，活性炭會對很多大分子量、高沸點物質進行吸附，它們并不容易通過第一種方法與活性炭相分離，達到活性炭再生的目的。所以，活性炭再生常采用第二種方法，亦即吸附質分解方法。現階段，國內外應用較為普遍的活性炭再生方法主要有熱再生法、化學再生法以及生物再生法幾種，但這些方法有一定的局限性：活性炭在再生過程中有較大的損失;再生之后的活性炭吸附能力大幅度減弱;機械強度不復之前;再生環節會有廢氣的產生，這會污染空氣。出于對這些問題的考慮，人們長期進行著超聲波再生法、催化濕式氧化再生法、超臨界流體再生法等新的、經濟效率更高的活性炭再生技術的探索。

4結語

文章中以污泥與粉煤灰為原料，采用化學活化方法進行活性炭的制備，并分析了對活性炭吸附性能產生影響的各項因素。在用污泥制備活性炭的過程中，適當添加粉煤灰，可提高制得活性炭的吸附能力，所添加的粉煤灰質量與干污泥質量的最佳比例為3：10。另外，為了達到最優的污泥粉煤灰活性炭性能，應保持粉煤灰、干污泥與ZnCl2的比例3：10：3，活化時間80min以及活化溫度5000°C的藝條件。而為了達到進一步節省資源、保護環境的目的，活性炭吸附飽和之后還需采用超聲波、催化濕式氧化等方法進行活性炭再生處理。