姚志恒，劉 羽，牛志睿，張雅琪，符策偉，任俊祿

(延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000)

城市污水處理廠剩余污泥制備活性炭的研究

姚志恒，劉 羽*，牛志睿，張雅琪，符策偉，任俊祿

(延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000)

以污水處理廠剩余污泥為原料，以KOH為活化劑采用化學(xué)活化法制備污泥活性炭。研究了碳化時(shí)間、碳化溫度及活化劑濃度等條件對(duì)污泥活性炭碘吸附值和產(chǎn)率的影響。通過正交實(shí)驗(yàn)確定了污泥活性炭的最佳制備條件。結(jié)果表明，以碘吸附值作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，制備條件對(duì)污泥活性炭的碘吸附值影響大小的順序?yàn)椋禾炕瘯r(shí)間>活化劑濃度>炭化溫度。制備污泥活性炭的最佳工藝組合為炭化溫度400℃，炭化時(shí)間40 min，活化劑濃度為0.3 mol/L，污泥活性炭的碘值為308.7 mg/g。

污泥活性炭；碘吸附值；產(chǎn)率；化學(xué)活化法

吸附法是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域常用的處理方法之一，其成功應(yīng)用的關(guān)鍵是選擇合適的吸附劑，目前應(yīng)用最為廣泛的活性炭吸附劑，原材料主要是煤和木材等含碳材料，成本較高，一些研究學(xué)者正致力于利用農(nóng)林廢物、紙漿廢液、有機(jī)廢棄物等含碳物質(zhì)制造價(jià)格低廉的活性炭[1-4]。我國污水廠污泥中的有機(jī)物含量為50%～60%，隨著生活水平的提高，污泥中有機(jī)物的含量還會(huì)不斷增加，利用化學(xué)活化法使污泥高溫?zé)峤庵苽浠钚蕴?，不僅能獲得價(jià)廉的吸附材料，將污泥中可溶性重金屬轉(zhuǎn)化成難溶物固定在活性炭中，從而減少對(duì)環(huán)境的污染，還可以將污泥活性炭運(yùn)用于污水處理、惡臭處理及有毒、有害物質(zhì)處理[5-7]。本研究擬以污水處理廠剩余污泥為原料，利用化學(xué)活化法制備污泥活性炭，研究制備條件對(duì)其性能的影響，獲取廉價(jià)吸附劑材料，實(shí)現(xiàn)一種符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的污泥處置方式。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

SX-8-40型箱式電阻爐(北京科偉永興儀器有限公司)；ALB-124型電子分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海恒科儀器有限公司)；SHA-C型恒溫振蕩器(常州國華電器)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)以延安污水處理廠剩余污泥為原材料，該污水處理廠采用氧化溝工藝，測(cè)污泥含水率為80%左右，將污泥取回后在陰涼通風(fēng)處自然干燥一周，含水率可降至10%左右。氫氧化鉀、碘化鉀、鹽酸等試劑均為分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 污泥活性炭的制備方法

污泥干化后研磨過80目篩，105℃烘8 h備用。以一定濃度的KOH為活化劑，固液比1∶2.5，20℃恒溫水浴活化24 h后，在105℃下烘干12 h。按照實(shí)驗(yàn)要求的碳化溫度放入馬弗爐內(nèi)炭化一定時(shí)間，碳化結(jié)束后取出樣品，冷卻，取適量3 mol/LHCl溶液，浸泡炭化后的污泥60 min(中間適當(dāng)攪拌)，然后用70℃蒸餾水洗滌至中性(pH=6-7)。再將洗滌后的污泥置于烘箱中105℃干燥12 h。將制得的活性炭研磨，過200目篩備用。

1.3.2 污泥活性炭碘值測(cè)定

碘吸附值是評(píng)價(jià)活性炭性能的重要常規(guī)指標(biāo)，可反應(yīng)吸附劑中微孔含量，測(cè)定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法碘吸附值的測(cè)定》(GB/T12496.8-1999)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 碳化溫度對(duì)碘吸附效果的影響

取活化劑KOH的濃度為0.5 mol/L，分別在300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃下碳化60 min，考察碳化溫度對(duì)碘吸附值和污泥活性炭產(chǎn)率的影響。

圖1 碳化溫度對(duì)碘吸附值和污泥產(chǎn)率的影響

由圖1可知，溫度變化對(duì)碘值吸附量影響很大，溫度過低，活化不夠充分，活化屬于原料表面含氧基團(tuán)與堿性活化劑相互作用，大量的反應(yīng)是活化劑本身羧基脫水形成活性中心的過程，導(dǎo)致制備的活性炭的吸附能力較低。繼續(xù)升高溫度(350～450℃)主要發(fā)生活化中間體與反應(yīng)物料表面的含碳物種作用，引發(fā)縱向生孔過程，形成大量微孔，比表面積最大，吸附能力最強(qiáng)。進(jìn)一步升溫，發(fā)生微孔內(nèi)的金屬鉀離子活化反應(yīng)，形成大孔，吸附能力減弱。此外，對(duì)于污泥原料，其含碳量相對(duì)較低，高的活化溫度使原本就少的碳素有所損失，暴露更多灰份，吸附能力下降[8，9]。后續(xù)選擇碳化溫度為400℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 碳化時(shí)間對(duì)碘吸附效果的影響

取活化劑KOH的濃度為0.5 mol/L，碳化溫度為400℃，分別取碳化時(shí)間為20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min。測(cè)定相應(yīng)活性炭的碘吸附值和產(chǎn)率。

由圖2可見，隨著活化時(shí)間的增加，碘吸附值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，碳化時(shí)間較短時(shí)，活化不夠充分，吸附能力較低，50～60 min左右時(shí)，活化過程在碳層間形成大量微孔，使整體具有較大的比表面積，吸附能力最高。隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，開孔過程逐漸減弱，部分微孔擴(kuò)展為中孔和大孔，整體比表面積下降，進(jìn)行影響碘吸附值。后續(xù)實(shí)驗(yàn)碳化時(shí)間取60 min。

圖2 碳化時(shí)間對(duì)碘吸附值和污泥產(chǎn)率的影響

2.1.3 活化劑濃度的影響

取碳化溫度為400℃，碳化時(shí)間為60 min，分別取活化劑濃度為0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L，0.8 mol/L，1 mol/L的氫氧化鉀，測(cè)得的活性炭的碘吸附值和產(chǎn)率如圖3。

圖3 活化劑濃度對(duì)碘吸附值和污泥產(chǎn)率的影響

如圖3所示，活化產(chǎn)物對(duì)碘的吸附能力隨氫氧化鉀濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，0.5 mol/L～0.8 mol/L時(shí)最大。這是因?yàn)榛瘜W(xué)活化法的本質(zhì)是通過加入活化劑產(chǎn)生脫水、縮合、潤(rùn)漲等作用形成孔隙，含碳化合物縮合成不揮發(fā)的縮聚碳，產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭。因此，活化劑濃度越高，脫水縮合作用越大，產(chǎn)生的空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附性能好[10，11]。但KOH濃度太高，洗滌時(shí)去除不徹底易使其吸附能力下降，因此最佳活化劑濃度選擇0.5 mol/L左右。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)分析

本研究采用三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)L9(33)，進(jìn)一步考察炭化溫度(A)、炭化時(shí)間(B)、活化劑濃度(C)三個(gè)因素對(duì)污泥活性炭碘吸附值和產(chǎn)率的影響，從而確定污泥活性炭制備過程中的主要影響因素和最佳制備條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平列于表1中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表2。

表1 污泥制備活性炭正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 污泥制備活性炭的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：Ki代表以碘吸附值作為控制指標(biāo)的不同水平的平均值，對(duì)應(yīng)的Ri表示不同水平的極差。

Ki′代表以產(chǎn)率作為控制指標(biāo)的不同水平的平均值；對(duì)應(yīng)的Ri′表示不同水平的極差。

從表2中的Ri值結(jié)果可得到制備條件對(duì)污泥活性炭的碘吸附值影響大小順序?yàn)椋禾炕瘯r(shí)間(B)>活化劑濃度(C)>炭化溫度(A)，三個(gè)因素中碳化時(shí)間對(duì)碘吸附值的影響最大。Ri′值結(jié)果可得到制備條件對(duì)污泥活性炭的產(chǎn)率影響大小的順序?yàn)椋禾炕瘻囟?A)>炭化時(shí)間(B)>活化劑濃度(C)，三個(gè)因素中碳化溫度對(duì)產(chǎn)率的影響最大。最終以表征活性炭吸附性能的碘吸附值為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，比較得出污泥活性炭制備的最優(yōu)條件A2B1C1，即炭化溫度400℃，炭化時(shí)間40 min，活化濃度0.3 mol/L，在此條件下制備了一組污泥活性炭，其碘值為308.7 mg/g。

3 結(jié)論

(1)以延安市污水處理廠剩余污泥為原料，采用KOH作為活化劑，通過單因素實(shí)驗(yàn)研究制備污泥活性炭的碳化溫度、碳化時(shí)間和活化劑濃度對(duì)碘吸附值和污泥產(chǎn)率的影響。

(2)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示選擇的因素對(duì)污泥活性炭碘吸附值的影響順序?yàn)椋禾炕瘯r(shí)間>活化劑濃度>炭化溫度，得出污泥活性炭的最佳制備工藝：炭化溫度400℃，炭化時(shí)間40 min，活化劑濃度為0.3 mol/L，在此條件下，制備的污泥活性炭的碘值為308.7 mg/g。

[1]趙晶晶.污泥活性炭的制備及其應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)碩士論文，2013.

[2]葉子瑞.國內(nèi)外污泥處置和管理現(xiàn)狀[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2002，10(2)：85-89.

[3]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)水污染治理委員會(huì)編.中國城市污水污泥處理處置問題探討[C].北京：中國國際水處理高級(jí)專家論壇，2005：142-146.

[4]牛志睿，黃學(xué)敏.吸附SO2飽和活性炭纖維的微波解吸性能研究[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(2)：59-66.

[5]王亞非，田豫川，劉越，等.利用城市污水廠剩余污泥制備生物炭吸附鎘[J].四川環(huán)境，2012，31(5)：12-15.

[6]李利平.污泥活性炭的優(yōu)化制備及其應(yīng)用初探[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士論文，2013.

[7]張永濤，張?jiān)鰪?qiáng)，孫西寧.添加鋸末對(duì)污泥堆肥腐熟的影響研究[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(2)：85-91.

[8]張君，谷晉川，張蔓.磷酸活化法制備污泥含碳吸附材料的研究[J].化工科技，2009，17(4)：5-8.

[9]邵瑞華，房平，司全印.污水處理廠污泥制備活性炭的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(31)：17632-17635.

[10]尹炳奎.污泥活性炭吸附劑材料的制備及其在廢水處理中的應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[11]吳娟.城市污水處理廠污泥制備活性炭的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)碩士論文，2006.

[責(zé)任編輯 李曉霞]

Preparation of Sludge-Based Activated Carbon from the Municipal Sewage Sludge

YAO Zhi-heng,LIU YU*,NIU Zhi-rui,ZHANG Ya-qi,FU Ce-wei,REN Jun-lu

(School of Petroleum and Environmental Engineering,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

The municipal sewage sludge was used to prepare the sludge-based activated carbonaceous adsorbent material through a chemically activated method with KOH as activating agent.The correlation effect factors of sludge-based activated carbon derived from sludge was analyzed,which including activation temperature, activation time,and the concentration of activation reagent.The optimum preparation conditions were determined by orthogonal test,The results showed that with the adsorption capacity of iodine as the evaluation index,the effects of various factors on properties of activated carbon decreased in the following order : activation time>activation reagent concentration>activation temperature.The optimum conditions for the preparation of activated sludge was that the activation temperature 400℃,activation time 40 min,the concentration of activation reagent 0.3 mol/L.On the condition,the iodine value of the sludge-based activated carbon was 308.7 mg/g.

sludge-based activated carbon; the adsorption capacity of Iodine; the yield of carbon; chemical activation

2015-01-10

延安市科技局項(xiàng)目(2012kg-11)；延安大學(xué)校級(jí)科研青年項(xiàng)目(YDQ2014-52)；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310719013)

姚志恒(1992—)，男，陜西漢中人，延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院學(xué)生。 *通訊作者

X703

A

1004-602X(2015)02-0070-03