不同活化劑改性污泥基生物炭材料的制備

朱曉軒 王旭 陳熙 范廣建 莫凡 鄧文賀 張冉 黃昕

摘 要：以氫氧化鉀與氯化鋅為活化劑，分別活化城市污水處理廠的污泥與生物質竹屑，并分別熱解制備了2種吸附性能良好的生物炭。結果表明，2種活化劑均有其適宜的熱解終溫和熱解時間范圍，制得的生物炭均具有良好的碘吸附值特征。采用掃描電鏡、比表面積和孔隙率分析儀對生物炭的理化性質和多級孔結構進行了表征。浸漬預處理后，KOH提供了更多的功能組分，并與C反應，擴大了生物炭的孔結構。在600℃共熱解后，比表面積達到1698.32m2/g，微孔面積為1052.90m2/g。

關鍵詞：城市污水廠污泥;竹屑;生物炭;氯化鋅;氫氧化鉀

中圖分類號 X703.1 ? 文獻標識碼 A 文章編號 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

隨著城市化進程的迅速發展，污水處理廠的數量隨之大幅增加，也進一步帶來了污泥產量的大幅增加[1]。城市污水處理廠所產生的污泥來自于生物處理污水過程所產生的副產物，污泥不僅包括有機污染物、致病菌、微量重金屬等有毒有害物質，還含有大量的有機-無機碳、氮、磷、鉀等營養物質[2]。利用污泥碳元素高的特點，在一定溫度下進行熱解，其中的有毒有害物質得以無害化、減量化處理，剩余固態殘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]。同時，污泥中的重金屬元素在高溫熱解中轉變為特殊結構殘渣態，呈惰性，不能被生物所吸收利用，也不能通過食物鏈在人體內積累，是最安全的重金屬形態。

竹屑是生產工藝中的一種廢棄物，其作為一種生物質，適合熱解炭化。與麥稈、甘蔗渣相比，竹屑的有機質含量豐富，灰分含量低。竹屑中纖維素和半纖維素含量高于雜木屑，木質素含量也高于雜木屑。這些性質可以增加生物炭的比表面積，豐富多孔結構，提高生物炭的吸附能力。化學活化劑對生物炭的吸附特性具有重要的影響意義。最常用的化學活化劑有氯化鋅（ZnCl2）、磷酸（H3PO4）和氫氧化鉀/碳酸鹽等。KOH在熱解過程中對孔隙率的形成起著重要作用，且不含重金屬，因而KOH被用作化學活化實驗[4]。近十幾年來，熱解法逐漸應用于廢棄物的綜合利用中[5]，并被認為是最有前途的廢棄物處理技術之一[6]。熱解技術為污泥的穩定和資源化利用提供了一種實用有效的方法[7]。同時，熱解可以使污泥體積最小化，殺滅微生物和寄生生物的卵，并將有機物轉化為生物炭，產生潛在有用的生物油和熱解氣體，以供再利用[8]。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 實驗儀器 THZ-82型調速多用振蕩器，常州國華電氣有限公司;DHG-9070A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;SQP型電子分析天平，Sartorius;LG16-A型離心機，北京雷勃爾離心機有限公司;KQ5200超聲波清洗儀，昆山超聲儀器有限公司;HJ-3型恒溫磁力攪拌器，常州國華電氣有限公司;vario EL cube V 1.2.1型元素分析儀，Elementar Analysensysteme;Prodigy XP型電感耦合等離子體原子發射光譜儀，PANalytical B.V.;Ultra&Plus型掃描電子顯微鏡，ZEISS;OTF-1200X管式高溫熱解爐，合肥科晶材料技術有限公司;GZK-101型真空機組，合肥科晶材料技術有限公司。

1.1.2 材料 本研究所使用的城市污泥來自中國城市污水處理廠。竹屑是竹制品生產過程中產生的固體廢棄物。通過加入4wt‰的聚丙烯酰胺對城市污泥進行穩定化處理，然后脫水、風干。污泥初始pH值為5.86。