污泥与麦秸共热解制备吸附剂的研究

王国才，殷志源

(1.河南永煤碳纤维有限公司，河南商丘 476000;2.中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221116)

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，工业污水处理率逐年提高，污水处理厂的数目和污泥产量也急剧增加，对环境的污染日益严重。污泥是污水处理过程中的副产物，是一种由有机残片﹑细菌菌体、胶体、各种微生物以及有机、无机颗粒组成的极其复杂的非均质体。污泥处理已经成为水处理的重要组成部分。目前，我国处理污泥的方法主要有农用、填埋、焚烧和海洋倾倒。污泥农用主要作为土壤的改良剂，然而，污泥中含有一定量的重金属和致癌物质，不加处理的暴露在自然界中会导致二次污染;污泥填埋比较经济，但此法受选址困难、占地面积大、二次污染严重，逐渐被人们放弃;焚烧和海洋倾倒，随着人们环保意识的增强，其消除污染代价太大，已经被环保部门所禁止。作为一个亟待解决的环境问题，如何妥善、科学地处理污泥，正受到前所未有的关注。目前污泥资源化研究已经取得了很大进展并取得了显著的成果，其中污泥低温制油技术得到了很好的发展，然而此法得到的油品产物热值太低，固体残留量较大，处理代价高，如开发不出高效的催化剂，前景不明朗。

我们研究在污泥中加入一定比例的麦秸制备吸附剂，不仅可以消除传统方法对环境造成的二次污染，还可以充分利用秸秆中含有的有效成分，提高资源利用率，如麦秸中的有机质可以提高吸附剂中的碳含量［1-2］，另外污泥热解产物密度大，可以改善秸秆单独热解后固体产物易飘飞、不宜储运等问题。污泥与秸秆共热解所采用工艺流程简单，可以大大降低成本。

1 实验

1.1 仪器和试剂

仪器:Autosorb-1-MP型气体吸附仪，分析天平(感量0.1 mg)，烘箱，微电脑控温仪，振荡器(240次/min)，分样筛，热解炉，干燥器，研磨机，碘量瓶，滴定管等。

试剂:碘，分析纯;碘化钾，分析纯;硫代硫酸钠，分析纯;重铬酸钾，分析纯;淀粉指示剂;聚丙烯酰胺(阴离子)。

1.2 原料

所用污泥为污水处理厂的脱水污泥，污泥经干燥粉碎后直接使用。秸杆经自然风干后，粉碎至粒径2 mm左右备用。污泥和麦秸的工业分析结果见表1。

表1 城市污泥和麦秸的工业分析 %

1.3 吸附剂制备工艺路线(见图1)

图1 吸附剂制备流程

1.4 实验装置

本研究采用自制的热解装置，如图2所示。由热解炉﹑热解反应器﹑冷凝装置﹑控温仪和气相色谱仪等组成。

1.5 吸附剂的制备

将污泥与麦秸按不同的掺混比(干基比为1∶0、7∶3、5∶5、3 ∶7、0 ∶1)混合均匀后，研究热解温度为400、500、600、700℃时炭粉的吸附特性。实验时称取40 g制备好的试样放入石英管，连接好冷凝与产物收集装置，把石英管放入热解炉，通电加热至最终温度，并恒温30 min。热解气经支管排出，可凝性物质经冷凝被收集，不凝性气体通过导气管导出。

图2 热解装置图

1.6 吸附剂性能分析

采用美国Quantachrome公司的 Autosorb-1-MP型气体吸附仪测定炭粉比表面积和孔结构，测定条件:样品在300℃和高真空下脱气10 h，以高纯氮为吸附质，在液氮温度和起始压力为1.0×10-6Pa下进行N2等温吸附线的测定;采用GB7702.7—1997《煤质颗粒活性炭试验方法碘吸附值的测定》配制碘溶液和测定含炭吸附剂的碘吸附值。

2 实验结果与讨论

2.1 吸附剂的碘吸附值

如图3所示，污泥和麦秸在热解温度和混合比例下制得的固体吸附剂的碘吸附规律。在相同的热解温度下，随着秸秆量的增加，碘吸附值增大，这是因为纯污泥(1∶0)中的碳含量很低，制得的吸附剂孔隙不够发达，吸附效果较差;而纯秸秆(0∶1)中碳含量较高，制得的吸附剂孔隙较发达，吸附性能较好。在相同的混合比下，400℃热解时制得的吸附剂碘吸附值最大，在406.6～542.1 mg/g。当温度高于400℃，会使污泥中含有的较少碳元素大量损失，致使吸附剂性能变差。

图3 工艺条件对含碳吸附剂碘值的影响

2.2 吸附剂的比表面积

采用BET氮吸附法测定了炭粉比表面积和孔径分布。图4为不同热解温度与混合比例对炭粉比表面积的影响，从图上可以看出，污泥和秸秆在相同的混合比下，随着温度的升高，炭粉的比表面积均增大，700℃时增大最明显。污泥中麦秸加入量越大，比表面积随温度升高趋势越明显。主要原因是:一方面，随秸秆量增加，混合物料中的有机物含量增大，热解时形成的挥发分多，挥发分的析出是形成孔隙的主因，导致比表面积增加;另一方面可能受污泥和秸秆碳含量的影响，污泥含碳量很低，而秸秆的碳含量较高，随温度升高，孔隙发育充分，导致SBET增大较显著。

图4 工艺条件对含碳吸附剂比表面积的影响

纯污泥在700℃下热解制得的炭粉总孔容积最大，达到0.223 6 mL/g，中孔达 0.160 8 mL/g，占总孔容的71.9%。污泥与麦秸以7∶3的比例混合后，700℃热解制得的炭粉的总孔容积达0.184 6 mL/g，中孔达0.1408 mL/g，占总孔容的76.3%。5∶5掺混热解后的炭粉总孔容有所下降，但孔径分布集中，中孔含量达到81.1%，具体见表2。

表2 700℃热解制得含碳吸附剂的孔结构变化

3 结论

①以污水处理厂脱水污泥为原料，通过加入不同比例的麦秸，在不同的温度下进行热解，制备固体吸附剂。在相同的混合比例下，400℃下热解所得炭粉的碘吸附值最高，在406.6～542.1 mg/g，作为一种廉价吸附剂是可行的。②炭粉的孔径分布较宽，但以中孔为主，微孔所占比例较小，比表面积较小。随着秸秆量的增加，中孔和大孔的孔容均降低，微孔容却不断增加。③污泥与麦秸共热解制备吸附剂，麦秸中有机质含量高，可以提高污泥热解后炭粉的碳含量;污泥热解产物密度大，可以改善秸秆热解后易飘飞、不宜储运等问题。

［1］王泉清，秦瑞丰.用磷酸法制备玉米秸秆活性炭的研究［J］.中国资源综合利用，2003，(4):17-19.

［2］周新华，齐庆杰，等.玉米秸秆在不同条件下热解规律实验研究［J］. 应用能源技术，2006，98(2):1-3.