氨水改性對(duì)污泥基活性焦脫硫性能的影響

郝苗苗，李明華，王李煒，盧林，任霄漢

(1.山東省生態(tài)環(huán)境保護(hù)宣傳教育中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東水發(fā)智慧能源有限公司，山東 濟(jì)南 250021； 3.山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；4.法能 (中國(guó)) 能源技術(shù)有限公司，北京 100027)

0 引言

廢棄污泥是污水處理廠產(chǎn)生的副產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大[1]，污泥妥善處理是當(dāng)下迫切需要解決的問(wèn)題。污泥本質(zhì)是含碳有機(jī)物，可用于作為制備活性焦的前體材料。以廢棄污泥制備污泥基活性焦，可以將廢棄污泥資源化利用，能夠解決污泥處置的一些難題，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]?；钚越沟奈侥芰εc其比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)密切相關(guān)[3-4]。通過(guò)碳化活化可制得比表面積較高，孔隙結(jié)構(gòu)較好的污泥基活性焦，但有益于吸附作用的表面官能團(tuán)種類和含量卻相對(duì)較少。

煙氣中的SO2會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染,對(duì)人類、動(dòng)植物生存構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，經(jīng)濟(jì)有效的控制SO2排放量顯得尤為重要[5]。目前常用的脫硫方法主要有濕法脫硫法、半干法脫硫法和干法脫硫法[6]。濕法脫硫法和半干法脫硫法具有設(shè)備投資大,脫硫后產(chǎn)生的固體廢渣易引起二次污染，脫硫效率低等缺點(diǎn)。干法脫硫法中的活性焦脫硫具有操作簡(jiǎn)便、成本低、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn),受到了越來(lái)越多的歡迎。文章采用不同濃度氨水對(duì)污泥基活性焦改性處理，并以SO2為被吸附氣體，對(duì)原始和改性后的活性炭進(jìn)行BET、SEM和FT-IR測(cè)試，分析其比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)的變化，為進(jìn)一步研制新型活性焦吸附劑提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 活性焦的改性

取粉末狀污泥基活性焦10 g，于100 mL 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、5%、10%、15%)的氨水溶液中，一起裝入250 mL錐形瓶中。將錐形瓶置于恒溫水浴振蕩器中，在水溫為30℃，振數(shù)為110 r/min的條件下振蕩12 h。改性結(jié)束后，經(jīng)去離子水對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行抽濾，直至清洗液與蒸餾水的PH值一致，然后于110℃烘干至恒重，密封起來(lái)備用，即制得不同濃度氨水改性的活性焦樣品。

1.2 活性焦的結(jié)構(gòu)表征

比表面積和孔結(jié)構(gòu)使用北京貝士德公司生產(chǎn)的BSD-PM高性能分析儀進(jìn)行測(cè)定。采用美國(guó)生產(chǎn)的Thermo K-Alpha儀進(jìn)行X-射線表面光電子能譜(XPS)分析，對(duì)選定元素的化學(xué)狀態(tài)和樣品的表面組成進(jìn)行測(cè)定。

1.3 活性焦的脫硫性能

在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行SO2的吸附實(shí)驗(yàn)。將0.5 g改性后的活性焦填裝在玻璃管中。在70℃的吸附溫度下吸附1 h，吸附后的SO2濃度用煙氣分析儀檢測(cè)。

一時(shí)間，村里說(shuō)什么的都有，有的說(shuō)爛眼阿根和蘇秋琴在玉米地里搞時(shí)搞死的，有的說(shuō)是癩阿小弄死他的，也有的說(shuō)是男人婆弄死的，也有的說(shuō)是白玉兒弄死的，還有的說(shuō)是癩阿小和蘇秋琴合伙弄死的，他們就逃了……反正說(shuō)什么的都有，到了第二天傍晚，蘇秋琴倒是回來(lái)了。她當(dāng)然不是自己回來(lái)的，而是派出所的人找回來(lái)的。她確實(shí)去了縣城，但沒(méi)有去找白天明。據(jù)她自己說(shuō)，她是去城里散散心的。他們找到她時(shí)，正好她也玩膩了，就搭他們的車回來(lái)了，連車費(fèi)都省了。她先去了派出所，把自己出門前前后后都說(shuō)了。他們就把她放了。

2 結(jié)果與討論

2.1 比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)

如表1所示，改性后的活性焦比表面積和微孔比表面積均減小，但微孔比例近似不變，這是因?yàn)榘彼男云茐牧嗽械目紫督Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致活性焦比表面積的減小。

表1 不同濃度氨水改性對(duì)活性焦比表面積和微孔比例的影響

2.2 表面官能團(tuán)

如圖1所示，以5%氨水濃度改性活性焦的N1s譜圖為例，活性焦的N1s譜裂變?yōu)?個(gè)峰，查得結(jié)合能較小的峰N1s(1)(398.15ev)為類吡咯官能團(tuán)，結(jié)合能較大的峰N1s(2)(400.61ev)為類吡啶官能團(tuán)[7]。對(duì)未改性的活性焦進(jìn)行XPS檢測(cè)，卻未發(fā)現(xiàn)N1s信號(hào)。這說(shuō)明氨水改性能夠給活性焦引入類吡啶、類吡咯等含氮官能團(tuán)。含氮官能團(tuán)能夠增強(qiáng)活性焦對(duì)SO2和水蒸氣的吸附能力以及將SO2催化氧化為SO3的活性，從而提高活性焦的脫硫能力[8]。

圖1 5%氨水濃度改性活性焦的N1s譜圖

2.3 污泥活性焦的脫硫能力

吸附溫度為70℃時(shí)活性焦的脫硫活性（如圖2所示）?？煽闯?，通過(guò)不同濃度氨水改性制得活性焦的脫硫活性明顯高于未改性制得活性焦的脫硫活性。但通過(guò)比較活性焦的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，未改性所制得活性焦的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)最好，但其脫硫活性最差。這主要是氨水改性給活性焦引入了含氮官能團(tuán)，改善了活性焦的化學(xué)性質(zhì)。1%濃度氨水改性所制得活性焦的脫硫能力最強(qiáng)，這是因?yàn)檩^低濃度氨水在活性焦內(nèi)引入含氮官能團(tuán)的前提下，對(duì)孔結(jié)構(gòu)損壞也不大。這說(shuō)明在活性焦的吸附過(guò)程中，不僅化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位，物理吸附的作用也不容忽視。

圖2 70℃時(shí)活性焦脫除SO2的活性

3 結(jié)語(yǔ)

采用氨水改性制備活性焦雖然可能略微破壞活性焦原有的孔隙結(jié)構(gòu)，但可以有效引入含氮官能團(tuán)，進(jìn)而活性焦脫硫活性明顯高于未改性前的活性焦，這可歸因于活性焦吸附過(guò)程中物理性質(zhì)是吸附的基礎(chǔ)，化學(xué)性質(zhì)是吸附的主導(dǎo)。