申请日2017.06.12
公开(公告)日2017.10.10
IPC分类号H01M4/36; H01M4/485; H01M4/587; H01M10/0525
摘要
本发明涉及一种利用活性a href="http://www.dowater.com/" style="text-decoration:none">污泥 制备储能材料的方法，其包括如下步骤：将活性污泥、水溶性的三价铬盐及去离子水混合得混合液，混合液经静置或搅拌处理使三价铬离子渗透至活性污泥包含的菌胶团的菌体内，调节pH至碱性，抽滤，洗涤滤饼至中性，烘干并碾碎，然后在无氧环境下升温锻烧，即得。本发明的有益效果为，使污泥得到了有效的资源化利用，从根本上解决了污泥处理难的问题,也为降低生物炭的生产成本;铬离子通过活体菌胶团的细胞壁渗透到生物体内部，煅烧后的三氧化二铬被生物炭很好的包裹起来，使三氧化二铬与生物炭进行了较好的复合;本发明得到的储能材料生产成本较低且其容量较高，在锂离子电池负极材料方面具有很好的应用前景。
权利要求书
1.一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将活性污泥、水溶性的三价铬盐及去离子水混合得混合液，所述混合液经静置或搅拌处理使三价铬离子渗透至所述活性污泥包含的菌胶团的菌体内，三价铬离子在所述混合液内的浓度为0.01-0.08mol/L，所述三价铬盐与所述活性污泥的质量比为0.18-1.5：1,调节pH至碱性，抽滤，洗涤滤饼至中性，烘干并碾碎，然后在无氧环境下升温锻烧，得一种三氧化二铬与生物炭的复合材料，即为所述的储能材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述活性污泥为生活污水处理厂二沉池取出的新鲜活性污泥且取出后经去离水洗涤并过滤以去除颗粒物与浮渣。
3.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述三价铬盐为氯化铬、硝酸铬和硫酸铬中的任一种或多种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述静置或搅拌处理的时间为2-10h。
5.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述三价铬盐与活性污泥的质量比为0.67：1。
6.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述的调节pH至碱性是指将混合液的碱性调节至pH=8-9。
7.根据权利要求1所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述的烘干采用的烘干温度为70-150℃。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其特征在于，所述无氧环境下升温锻烧是指在氩气保护下以5℃/min的升温速度升温至500-1000℃，且维持在500-1000℃的锻烧时间在30-120min。
9.一种利用活性污泥制备的储能材料，其特征在于，通过权利要求1至8任一项所述的方法制备得到。
10.一种如权利要求9所述的储能材料的应用，其特征在于，用作锂离子电池负极材料。
说明书
一种利用活性污泥制备的储能材料及其方法和应用
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种利用活性污泥制备的储能材料及其方法和应用。
背景技术
目前，城市污泥已成为现代城市产生的重要废弃物之一，根据测算，我国每年产生3000-4000万吨含水率在80%左右的污泥，预计到2020年，我国的污泥产量将达到6000-9000万吨，如果加上工业废水污泥，我国的污泥产量还将更大。由于污泥除含有大量的水外,还含有难降解的有机物、重金属和盐类,以及少量的病原微生物和寄生虫卵等,如果处理不当,会形成二次污染。在污泥处理过程中，国际上的通行标准是经过稳定化、减量化、无害化及资源化处理。作为城市污泥减量化产物的炭化活性污泥，是污泥稳定化和无害化处理产物，其资源化利用是目前研究的热点。目前，炭化活性污泥已应用于工业废水的除色、重金属吸附处理，并具有良好的处理效果;也被用作废气吸附剂、土壤改良材料、园艺用土壤、脱水助剂、融雪材料、脱臭剂和原生活污水的除臭及初级处理等。
由于污泥中包含有大量的生物体和有机物,具有较高的热值和含碳量,使得采用污泥为原料生产生物炭成为可能。这不但从根本上解决了污泥处理难的问题,更是为降低生物炭的生产成本提供了一种方法。在能源存储材料领域里，碳材料占据着十分重要的地位，目前商业化应用的锂离子电池负极材料均为石墨碳材料，实验室研究阶段的锂硫电池正极材料也主要采用碳材料作为载硫材料。当前，活性污泥炭化后得到的生物炭直接用作锂电池负极材料的不足之处在于，容量小(仅为320mAh/g左右)，无法满足市场对储能材料及器件提出的高可逆容量、大电流放电能力及快速充放电等要求。
发明内容
本发明提供一种利用活性污泥制备的储能材料及其方法和应用，旨在一定程度上解决现有技术中污泥无法有效资源化利用及生物炭用作储能材料时容量偏小等技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用活性污泥制备储能材料的方法，其包括如下步骤：将活性污泥、水溶性的三价铬盐及去离子水混合得混合液，所述混合液经静置或搅拌处理使三价铬离子渗透至所述活性污泥包含的菌胶团的菌体内，三价铬离子在所述混合液内的浓度为0.01-0.08mol/L，所述三价铬盐与所述活性污泥的质量比为0.18-1.5：1,调节pH至碱性，抽滤，洗涤滤饼至中性，烘干并碾碎，然后在无氧环境下升温锻烧，得一种三氧化二铬与生物炭的复合材料，即为所述的储能材料。所述活性污泥的含水率优选为65-85%，其至塑态。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
具体的，所述活性污泥为生活污水处理厂二沉池取出的新鲜活性污泥且取出后经去离水洗涤并过滤以去除颗粒物与浮渣。所述新鲜活性污泥是指沉淀完成至取出的时间间隔不超过5天。菌胶团是活性污泥的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，故其易吸附溶液中的铬离子。
具体的，所述三价铬盐为氯化铬、硝酸铬和硫酸铬中的任一种或多种的混合。优选的，三价铬盐为氯化铬。
具体的，所述静置或搅拌处理的时间为2-10h。搅拌时为慢速搅拌，通常为20-100转/分。
优选的，所述三价铬盐与活性污泥的质量比为0.67：1。
具体的，所述的调节pH至碱性是指将混合液的碱性调节至pH=8-9。调节pH时可加入氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液等碱液。
具体的，所述的烘干采用的烘干温度为70-150℃。
具体的，所述无氧环境下升温锻烧是指在氩气保护下以5℃/min的升温速度升温至500-1000℃，且维持在500-1000℃的锻烧时间在30-120min。
本发明还提供了一种利用活性污泥制备的储能材料，其通过上述方法制备得到。
另外，本发明还提供了上述储能材料的应用，具体为，用作锂离子电池负极材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)使污泥得到了有效的资源化利用，不但从根本上解决了污泥处理难的问题,更是为降低生物炭的生产成本提供了一种方法。
2)水溶液中的三价铬离子在碱性条件下生成氢氧化铬沉淀，煅烧生成三氧化二铬，三氧化二铬具有很高的理论容量，但稳定性很差，通过本发明提供的方法，首先铬离子通过活体菌胶团的细胞壁渗透到生物体内部，然后在其内部形成氢氧化铬，煅烧后的三氧化二铬被生物炭很好的包裹起来，使三氧化二铬与生物炭进行了较好的复合，前者稳定性有了很大的提升，同时也克服了后者容量小的不足。
3)本发明制备的储能材料生产成本较低且其容量远高于目前商业化应用的石墨碳材料，在锂离子电池负极材料方面具有很好的应用前景。