公布日：2023.03.07
申请日：2022.10.31
分类号：C01B32/336(2017.01)I;C01B32/324(2017.01)I;C01B32/384(2017.01)I;B01J20/20(2006.01)I
摘要
本发明公开了一种高性能污泥活性炭及其制备方法和应用，包括如下组分：污泥、生物质材料和粘结剂；其中，污泥、生物质材料和粘结剂的质量比为(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，经过炭化、活化处理；炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为400～700℃，炭化时间为0.5～3h，炭化升温温度为10～30℃/min；活化处理过程中，活化温度为600～1000℃，活化时间为0.5～3h，活化升温温度为10～30℃/min。该高性能污泥活性炭具有优异的吸附性能、强度高、制备工艺简单、制备过程能耗低、无二次污染、成本低廉、市场竞争力强。
权利要求书
1.一种高性能污泥活性炭，其特征在于，包括如下组分：污泥、生物质材料和粘结剂；其中，污泥、生物质材料和粘结剂的质量比为(50～90)：(10～50)：(5～25)；各原料混合后，经过炭化、活化处理；炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为400～700℃，炭化时间为0.5～3h，炭化升温温度为10～30℃/min；活化处理过程中，活化温度为600～1000℃，活化时间为0.5～3h，活化升温温度为10～30℃/min。
2.根据权利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述污泥为市政污泥、工业污泥、含油污泥中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述生物质材料为玉米秸秆、竹片、板栗壳、米糠、椰壳、坚果、松树、白木、杨树、棉籽壳中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述粘结剂为煤焦油、木焦油、酚醛树脂、羧甲基纤维素、水玻璃、海泡石、膨润土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化处理过程中，活化方式为化学活化、物理活化、物理‑化学活化中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化处理方式为物理活化，所采用的活化剂为空气、水蒸气、CO2中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的高性能污泥活性炭，其特征在于，所述活化剂为水蒸气，水蒸气与待炭化的混合物料的比例为(0.5～3)：1。
8.一种如权利要求1‑7中任一项所述的高性能污泥活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到污泥粉末；S2、将生物质材料经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到生物质材料粉末；S3、将污泥粉末、生物质材料粉末和粘结剂以配方量比例混合均匀，并加适量水捏合，得到混合物料；S4、将混合物料进行造粒成型，并经陈化处理得到活性炭原胚料；S5、将活性炭原胚料经炭化、活化处理，得到高性能污泥活性炭。
9.根据权利要求8所述的高性能污泥活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，陈化温度为60～85℃，陈化时间8～24h。
10.一种权利要求1‑7中任一项所述的高性能污泥活性炭的应用，其特征在于，所述高性能污泥活性炭用于处理废气、废水和改良土壤。
发明内容
为了满足我国日益增大的活性炭需求，实现城市污泥减量化、无害化、资源化处置的环保目标，加快生物质固废资源化利用进程，本发明的目的在于提供一种高效、经济、安全的高性能污泥活性炭，其具有优异的吸附性能、强度高、制备工艺简单、制备过程能耗低、无二次污染、成本低廉、市场竞争力强。此外，本发明还提供一种上述高性能污泥活性炭的制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种高性能污泥活性炭，包括如下组分：污泥、生物质材料和粘结剂；
其中，污泥、生物质材料和粘结剂的质量比为(50～90)：(10～50)：(5～25)；
各原料混合后，经过炭化、活化处理；
炭化处理在惰性气体环境下进行，炭化温度为400～700℃，炭化时间为0.5～3h，炭化升温温度为10～30℃/min；
活化处理过程中，活化温度为600～1000℃，活化时间为0.5～3h，活化升温温度为10～30℃/min。
具体地，所述污泥为非危废类污泥，为市政污泥、工业污泥、含油污泥中的一种或多种。
具体地，所述生物质材料为玉米秸秆、竹片、板栗壳、米糠、椰壳、坚果、松树、白木、杨树、棉籽壳中的一种或多种。
优选地，生物质材料为椰壳，椰壳的含碳量较高。
由于污泥中的含碳量低，因此在配方中加入生物质材料作为增碳剂，其含碳量是筛选生物质材料的重要指标。生物质材料中的组成元素中C的含量最高，约38～76％，因此生物质材料可作为该活性炭制备过程中较为优异的协同原材料。
具体地，所述粘结剂为煤焦油、木焦油、酚醛树脂、羧甲基纤维素、水玻璃、海泡石、膨润土、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或多种。
具体地，所述活化处理过程中，活化方式为化学活化、物理活化、物理‑化学活化中的一种或多种。
优选地，所述活化处理方式为物理活化，所采用的活化剂为空气、水蒸气、CO2中的一种或多种。活化剂优选水蒸气，水蒸气与待炭化的混合物料的比例(也成为水炭比)为(0.5～3)：1。
本申请中的炭化、活化工艺步骤采用炭化活化一体炉，并经大量的实验，综合考虑最终制备的活性炭材料的强度、脱硫脱硝性等性能指标，最终确定了最优的炭化温度、炭化时间、炭化升温速率以及活化温度、活化时间、活化升温温度。
热解炭化和高温活化过程中产生的可燃性气体既可用作炭化过程、活化过程的热源，也可作为原料干燥脱水的热源。
热解炭化的主要功能是在无氧高温条件下材料中的挥发分分解逸出，形成复杂多孔的孔隙结构，其中部分炭化产物碳原子组合成为不规则的芳香族环片状结构，造成部分裂缝，这些裂缝会在后续的高温活化工艺中进一步形成更为发达的微孔结构，提升吸附性能。
本申请中的活化处理过程选用物理活化方式，并选用水蒸气作为活化介质。高温活化过程中活化物质与炭化料之间进行氧化还原反应，达到扩旧孔开新孔的目的。物料的炭表面吸附水蒸气后，吸附的水蒸气释放出氢气，吸附的氧以CO的形态从炭表面脱落；生成的CO与炭表面上的吸附氧反应生产CO2；炭表面与水蒸气持续进行上述反应。这种反应不仅扩大了活性炭复杂多孔的孔隙结构，改善了孔隙的性能指标，还可清除炭化过程中积蓄在孔隙结构内的热解焦油及未逸出的热解产物，扩大了孔隙结构、提高了孔洞体积和比表面积、增多了复杂的表面官能团，得到最佳性能的活性炭材料。
本发明的第二方面，提供一种上述高性能污泥活性炭的制备方法，包括如下步骤：
S1、将污泥经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到污泥粉末；
S2、将生物质材料经干燥脱水处理后，再经粉碎、过筛，得到生物质材料粉末；
S3、将污泥粉末、生物质材料粉末和粘结剂以配方量比例混合均匀，并加适量水捏合，得到混合物料；
S4、将混合物料进行造粒成型，并经陈化处理得到活性炭原胚料；
S5、将活性炭原胚料经炭化、活化处理，得到高性能污泥活性炭。
具体地，所述步骤S1中，污泥经干燥脱水、粉碎后，其粒度为150～350目，更优选为200～250目，其含水率为6～10％，干基有机质含量为40～70％，干基灰分含量为40～60％。
所述步骤S2中，生物质材料经干燥脱水、粉碎后，其粒度为150～350目，更优选为200～250目，其含水率为6～10％，干基有机质含量为70～99％，干基灰分含量为1～40％。
所述步骤S3中，陈化温度为60～85℃，陈化时间8～24h。
所述步骤S3中，捏合时间为40～60min。
所述步骤S4中，活性炭原胚料的直径为8～10mm，长度为3～15mm。
本发明的第三方面，提供一种上述高性能污泥活性炭的应用，所述高性能污泥活性炭用于处理废气、废水和改良土壤。
具体地，该高性能污泥活性炭可用于烟气脱硫脱硝领域。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)该高性能污泥活性炭具有优异的吸附性能、强度高，可用于处理废气、废水和改良土壤，与现有活性炭相比，其制备过程能耗低，减少了化石能源和林业资源的浪费，降低了成本，市场竞争力强，工艺也较为简单，无二次污染，易于操作；
(2)与传统的污泥处理方式相比，无氧条件炭化不仅从根源上避免了污染物二噁英的产生，还实现了污泥的资源化利用，符合循环经济的环保理念；
(3)该高性能污泥活性炭为固体，易于运输和保存；
(4)实现城市污泥减量化、无害化、资源化处置的环保目标，解决了生物质固废的资源化利用问题。
（发明人：童裳慧）