污泥與麥秸共熱解制備吸附劑的研究

王國才，殷志源

(1.河南永煤碳纖維有限公司，河南商丘 476000;2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州 221116)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)污水處理率逐年提高，污水處理廠的數(shù)目和污泥產(chǎn)量也急劇增加，對環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，是一種由有機(jī)殘片﹑細(xì)菌菌體、膠體、各種微生物以及有機(jī)、無機(jī)顆粒組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。污泥處理已經(jīng)成為水處理的重要組成部分。目前，我國處理污泥的方法主要有農(nóng)用、填埋、焚燒和海洋傾倒。污泥農(nóng)用主要作為土壤的改良劑，然而，污泥中含有一定量的重金屬和致癌物質(zhì)，不加處理的暴露在自然界中會導(dǎo)致二次污染;污泥填埋比較經(jīng)濟(jì)，但此法受選址困難、占地面積大、二次污染嚴(yán)重，逐漸被人們放棄;焚燒和海洋傾倒，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，其消除污染代價太大，已經(jīng)被環(huán)保部門所禁止。作為一個亟待解決的環(huán)境問題，如何妥善、科學(xué)地處理污泥，正受到前所未有的關(guān)注。目前污泥資源化研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展并取得了顯著的成果，其中污泥低溫制油技術(shù)得到了很好的發(fā)展，然而此法得到的油品產(chǎn)物熱值太低，固體殘留量較大，處理代價高，如開發(fā)不出高效的催化劑，前景不明朗。

我們研究在污泥中加入一定比例的麥秸制備吸附劑，不僅可以消除傳統(tǒng)方法對環(huán)境造成的二次污染，還可以充分利用秸稈中含有的有效成分，提高資源利用率，如麥秸中的有機(jī)質(zhì)可以提高吸附劑中的碳含量［1-2］，另外污泥熱解產(chǎn)物密度大，可以改善秸稈單獨熱解后固體產(chǎn)物易飄飛、不宜儲運等問題。污泥與秸稈共熱解所采用工藝流程簡單，可以大大降低成本。

1 實驗

1.1 儀器和試劑

儀器:Autosorb-1-MP型氣體吸附儀，分析天平(感量0.1 mg)，烘箱，微電腦控溫儀，振蕩器(240次/min)，分樣篩，熱解爐，干燥器，研磨機(jī)，碘量瓶，滴定管等。

試劑:碘，分析純;碘化鉀，分析純;硫代硫酸鈉，分析純;重鉻酸鉀，分析純;淀粉指示劑;聚丙烯酰胺(陰離子)。

1.2 原料

所用污泥為污水處理廠的脫水污泥，污泥經(jīng)干燥粉碎后直接使用。秸桿經(jīng)自然風(fēng)干后，粉碎至粒徑2 mm左右備用。污泥和麥秸的工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 城市污泥和麥秸的工業(yè)分析 %

1.3 吸附劑制備工藝路線(見圖1)

圖1 吸附劑制備流程

1.4 實驗裝置

本研究采用自制的熱解裝置，如圖2所示。由熱解爐﹑熱解反應(yīng)器﹑冷凝裝置﹑控溫儀和氣相色譜儀等組成。

1.5 吸附劑的制備

將污泥與麥秸按不同的摻混比(干基比為1∶0、7∶3、5∶5、3 ∶7、0 ∶1)混合均勻后，研究熱解溫度為400、500、600、700℃時炭粉的吸附特性。實驗時稱取40 g制備好的試樣放入石英管，連接好冷凝與產(chǎn)物收集裝置，把石英管放入熱解爐，通電加熱至最終溫度，并恒溫30 min。熱解氣經(jīng)支管排出，可凝性物質(zhì)經(jīng)冷凝被收集，不凝性氣體通過導(dǎo)氣管導(dǎo)出。

圖2 熱解裝置圖

1.6 吸附劑性能分析

采用美國Quantachrome公司的 Autosorb-1-MP型氣體吸附儀測定炭粉比表面積和孔結(jié)構(gòu)，測定條件:樣品在300℃和高真空下脫氣10 h，以高純氮為吸附質(zhì)，在液氮溫度和起始壓力為1.0×10-6Pa下進(jìn)行N2等溫吸附線的測定;采用GB7702.7—1997《煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼灧椒ǖ馕街档臏y定》配制碘溶液和測定含炭吸附劑的碘吸附值。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的碘吸附值

如圖3所示，污泥和麥秸在熱解溫度和混合比例下制得的固體吸附劑的碘吸附規(guī)律。在相同的熱解溫度下，隨著秸稈量的增加，碘吸附值增大，這是因為純污泥(1∶0)中的碳含量很低，制得的吸附劑孔隙不夠發(fā)達(dá)，吸附效果較差;而純秸稈(0∶1)中碳含量較高，制得的吸附劑孔隙較發(fā)達(dá)，吸附性能較好。在相同的混合比下，400℃熱解時制得的吸附劑碘吸附值最大，在406.6～542.1 mg/g。當(dāng)溫度高于400℃，會使污泥中含有的較少碳元素大量損失，致使吸附劑性能變差。

圖3 工藝條件對含碳吸附劑碘值的影響

2.2 吸附劑的比表面積

采用BET氮吸附法測定了炭粉比表面積和孔徑分布。圖4為不同熱解溫度與混合比例對炭粉比表面積的影響，從圖上可以看出，污泥和秸稈在相同的混合比下，隨著溫度的升高，炭粉的比表面積均增大，700℃時增大最明顯。污泥中麥秸加入量越大，比表面積隨溫度升高趨勢越明顯。主要原因是:一方面，隨秸稈量增加，混合物料中的有機(jī)物含量增大，熱解時形成的揮發(fā)分多，揮發(fā)分的析出是形成孔隙的主因，導(dǎo)致比表面積增加;另一方面可能受污泥和秸稈碳含量的影響，污泥含碳量很低，而秸稈的碳含量較高，隨溫度升高，孔隙發(fā)育充分，導(dǎo)致SBET增大較顯著。

圖4 工藝條件對含碳吸附劑比表面積的影響

純污泥在700℃下熱解制得的炭粉總孔容積最大，達(dá)到0.223 6 mL/g，中孔達(dá) 0.160 8 mL/g，占總孔容的71.9%。污泥與麥秸以7∶3的比例混合后，700℃熱解制得的炭粉的總孔容積達(dá)0.184 6 mL/g，中孔達(dá)0.1408 mL/g，占總孔容的76.3%。5∶5摻混熱解后的炭粉總孔容有所下降，但孔徑分布集中，中孔含量達(dá)到81.1%，具體見表2。

表2 700℃熱解制得含碳吸附劑的孔結(jié)構(gòu)變化

3 結(jié)論

①以污水處理廠脫水污泥為原料，通過加入不同比例的麥秸，在不同的溫度下進(jìn)行熱解，制備固體吸附劑。在相同的混合比例下，400℃下熱解所得炭粉的碘吸附值最高，在406.6～542.1 mg/g，作為一種廉價吸附劑是可行的。②炭粉的孔徑分布較寬，但以中孔為主，微孔所占比例較小，比表面積較小。隨著秸稈量的增加，中孔和大孔的孔容均降低，微孔容卻不斷增加。③污泥與麥秸共熱解制備吸附劑，麥秸中有機(jī)質(zhì)含量高，可以提高污泥熱解后炭粉的碳含量;污泥熱解產(chǎn)物密度大，可以改善秸稈熱解后易飄飛、不宜儲運等問題。

［1］王泉清，秦瑞豐.用磷酸法制備玉米秸稈活性炭的研究［J］.中國資源綜合利用，2003，(4):17-19.

［2］周新華，齊慶杰，等.玉米秸稈在不同條件下熱解規(guī)律實驗研究［J］. 應(yīng)用能源技術(shù)，2006，98(2):1-3.