[发明专利]一种利用市政污泥制备氮硫双掺杂多孔炭材料的方法在审

专利信息
申请号: 201710184081.9 申请日: 2017-03-24
公开(公告)号: CN106966392A 公开(公告)日: 2017-07-21
发明(设计)人: 刘振刚;刘婷婷 申请(专利权)人: 中国科学院生态环境研究中心
主分类号: C01B32/348 分类号: C01B32/348;C01B32/324
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摘要:
搜索关键词: 一种 利用 市政 污泥 制备 氮硫双 掺杂 多孔 材料 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种以市政污泥为原料制备氮、硫掺杂多孔炭材料的方法,属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物高值资源化利用新技术。

技术背景

多孔炭材料因其可调的孔结构和对污染物良好的去除作用在常规污水处理工艺后作为二次深度处理被广泛使用。多孔炭可用来源广泛的廉价生物质包括竹子、核桃壳、椰子壳、秸秆等活化制得。但受原料性质及制备方法限制,多孔炭孔结构单一以微孔为主,因此不利于污染物内部扩散、吸附速率慢,尤其是对大分子有机染料去除效果有限。杂原子掺杂炭材料是氮、硫等杂原子嵌入炭材料骨架的新型炭材料,因其具有独特的电学性能和化学结构,被广泛用做电极、超级电容器等。同时氮、硫杂原子掺杂的多孔炭材料在水体中特定污染物的选择去除方面也表现出了非常好的应用前景。

随着城镇化建设快速推进、污水处理设施不断完善,城市污泥产量持续增加。由于城市污泥成分复杂,富集了污水中有机物污染物、重金属、多种寄生虫卵、病原微生物、放射性核素等难降解的有毒有害物质,传统处理方式无法实现污泥快速、安全、无害处理。根据污泥中有机质含量高这一特性,将其制备成多孔炭材料并用于污染水体中污染物去除,是近年来污泥传统处理方式向环境友好、可持续利用方式的重要转变。但是,污泥含水量通常高于80%且以稳定的胞内水形式存在难以被去除,因此,制备污泥炭材料前的干燥处理大大提高了污泥制备多孔炭材料的成本。此外,常规制备方法还存在污泥炭材料孔结构单一、对大分子有机污染物去除效果不理想的缺点。

水热炭化是在150-350℃以及自生压力条件下的一种针对生物质的热化学处理方法,尤其适合高含水量生物质的处理。该方法具有反应条件温和、容易操作、能耗低等优点;水热炭化无需干燥处理,同时,高效的水解会显著提高生物质表面的含氧官能团和中孔结构。

本发明提出了利用水热炭化技术作为制备污泥基炭材料的预处理手段,一方面克服脱水困难、成本高的缺点,并提高污泥表面含氧官能团和中孔数量;其次利用该技术提高污泥中氮、硫的稳定性,降低活化过程中氮、硫杂原子的脱除率;最后利用惰性高温条件下污泥中富集金属元素催化转化无定型碳结构为石墨结构,制备以污泥为原材料的氮、硫掺杂、高度石墨化的多孔炭材料。本发明方法节能高效,不仅解决了污泥处理难的问题,并实现了污泥的可持续化、资源化利用。

发明内容

本发明的目的是针对污泥制备炭材料过程中的高能耗问题提供一种水热炭化结合化学活化法的能耗低制备方法。本发明方法制备的炭材料具有丰富的孔结构,尤其是中孔孔容大、平均孔径宽,并具有氮、硫掺杂的石墨化结构,可快速去除水体中大分子有机污染物。

本发明的目的通过以下技术方案实现:

一种利用污泥制备氮、硫自掺杂多孔炭材料的方法,包括以下步骤:

(1)将脱水污泥置于水热反应釜内进行水热炭化处理;

(2)将步骤(1)中得到水热炭化后的污泥干燥后粉碎;

(3)将步骤(2)中该颗粒物与活化剂混合;

(4)将混合物在管式炭化炉内进行活化;

(5)将步骤(4)中得到的活化后固体物质粉碎后并依次用酸和蒸馏水洗涤。

可选地,在步骤(1)中,污泥水热炭化温度优选在160-240℃,炭化时间优选0.5-3h。低的炭化温度和短的炭化时间导致污泥炭化不充分,而过高的炭化温度和过长的炭化时间会增加处理的能耗,增加成本。

可选地,在步骤(2)中,水热炭化污泥干燥优选温度范围为60-120℃,颗粒粉碎至70-120目。

可选地,在步骤(3)中,活化剂为氯化锌或者氢氧化钾:选氯化锌为活化剂时,采用湿法混合,即配置浓度为0.5-2mol/L氯化锌溶液,与水热后污泥按固液比(m/v)1:(2-5)混合后烘干粉碎;采用氢氧化钾为活化剂时,采用干法混合,水热污泥与氢氧化钾粉末按质量比1:(0.5-2)均匀混合。

可选地,在步骤(4)中,热解活化条件为在氮气保护下,从室温以5-15℃/min升温速率升温到优先温度500-800℃,活化时间优选1-3h。低的活化温度和短的活化时间因活化不充分而使炭材料孔结构不发达,另外低温下重金属的催化作用不明显;而过长的活化温度和过长的活化时间不仅会导致孔结构的坍塌而且会造成氮、硫原子的脱除。

可选地,在步骤(5)中,所用酸为1mol/L盐酸和20%氢氟酸。

本发明提供了一种由上述方法获得的氮、硫双掺杂、中孔丰富、高度石墨化的多孔炭材料。

本发明的原理为:

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