剩余污泥制备活性炭吸附剂及其吸附性能研究

邓玉梅，杨楚慧，余东辉，刘晓阳，黄源涛

(湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

剩余污泥制备活性炭吸附剂及其吸附性能研究

邓玉梅，杨楚慧，余东辉，刘晓阳，黄源涛

(湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)

笔者以城市剩余污泥和花生壳为原料，通过化学活化和高温热解的方法，制备出污泥、污泥-花生壳吸附剂并对其吸附性能进行了研究﹒通过单因素实验，考察了不同活化温度、活化时间、活化剂浓度、浸渍比、原料配比等因素对活性炭吸附性能的影响，确定出污泥制备活性炭吸附剂的最佳工艺参数﹒正交试验结果表明：ZnCl2浓度为5 mol/L、温度为500 ℃、活化时间为2 h、浸渍比为1︰1、原料配比为2︰1时，制得的活性炭吸附性能最佳，碘吸附值为781.05 mg/g，吸附剂产率为14.35%﹒与污泥吸附剂相比各项性能有明显提升﹒

剩余污泥；花生壳；活性炭；吸附性能

近年来，随着我国污水处理厂处理工艺的不断改进，污水处理能力不断提高，污泥产量随之增加﹒到 2011年底，我国污水总处理量为 1.36 m3/d，脱水污泥年产量约为3 100万t(按每万t污水平均脱水污泥产生量6.41 t计)[1]﹒剩余污泥成分复杂，有机物含量较高，同时含有大量的有毒有害物质，若未经处理的污泥直接进入环境，将会给环境带来极大危害[2]﹒现阶段污泥处理技术主要是对污泥进行浓缩、调节、脱水、稳定、干化或焚烧[3]，从而达到污泥减量化、稳定化、无害化目的﹒污泥处理技术主要有污泥填埋、污泥焚烧、污泥消化、污泥脱水和远洋抛投等[4-7]﹒与传统的处置方法相比，利用剩余污泥制备活性炭技术是将污泥资源化要利用的有效途径之一，且符合国家节能减排政策[8]﹒

花生是我国主要的油料作物，花生壳的重量约占花生总产量30%，其年产量超过400万t﹒花生壳主要含有半纤维素和纤维素，两者约占花生壳的75%～80%，其中碳含量达47%[9-11]﹒花生壳是一种可再生资源，但目前我国除少部分花生壳被利用作饲料外，绝大部分被丢弃或者焚烧，造成资源的极大浪费﹒张华[12]等利用花生壳制备活性炭，并在其负载金属氧化物，改性后的活性炭与臭氧联用处理RO浓水，COD去除率得到显著提高﹒李章良[13]等对花生壳改性，制得的花生壳活性炭对 Cr(Ⅵ)的吸附率在最佳条件下可维持在 94.13%以上﹒刘羽[14]等以污水处理厂剩余污泥和花生壳为原料，制备得到花生壳基污泥活性炭，其对油类污染物去除率可达 94%﹒因此，将花生壳制成活性炭将是一种符合可持续发展的方式﹒

本课题拟采用市政污泥和花生壳为原料，通过化学活化法对原料进行活化，并利用正交试验分析出最佳试验因素，制备出具最佳吸附性能的吸附剂﹒

1 试验材料及试验方法

1.1 试验原料

剩余污泥取自湖南省益阳市某污水处理厂脱水机房﹒

1.2 试验仪器

主要仪器包括：数显鼓风干燥箱、分析天平、马弗炉、恒温水浴振荡器等﹒

1.3 试验方法

将污泥置于 60 °C烘箱中烘至其含水率为10%，花生壳研磨粉碎过孔径为150 μm筛﹒

分别取污泥(单因素试验)、污泥-花生壳(正交试验)为原料，在不同条件下进行活化处理，对比不同条件下制备的吸附剂其吸附剂性能，得到最佳试验条件﹒

1.4 试验主要指标测定

1.4.1 原料含水率

试验采用烘干法测定原料含水率，用分析天平取原料重W1，在(105±5) °C鼓风干燥箱中干燥至恒重W2﹒此时含水率W=(W1-W2)/W1×100﹪﹒

1.4.2 原料灰分及可燃分

采用灼烧法测定原料灰分及可燃分﹒用分析天平称取一定量已烘干污泥，记为A1﹒在温度为(815±5) °C的马弗炉中灼烧3 h，置于真空干燥器中冷却至恒重A2，则灰分A=A2/A1×100﹪﹒

原料C可燃分可表示为C=1-W-A﹒

1.4.3 碘吸附值测定

称取0.5 g经研磨碎至过150 μm筛的干燥试剂，放入干燥的100 mL碘量瓶中，加入50.0 mL已标定的0.1 mol/L碘标准溶液，在黑暗密闭条件下用振荡器振荡15 min，并迅速过滤到干燥烧瓶中﹒取10 mL滤液于250 mL容量瓶中，加入100 mL水，用标定好的0.1 mol/L的硫代硫酸钠溶液进行滴定，在溶液呈淡黄色时，加入2 mL淀粉指示液，继续标定至无色，记录下使用的硫代硫酸钠体积﹒则碘吸附值其中：C1为碘标准液浓度(mol/L)；C2为硫代硫酸钠溶液浓度(mol/L)；V2为硫代硫酸钠标液体积(mL)；M为样品质量(取0.5 g)﹒

1.5 原料性质及试验活化条件的确定

不同的制备条件，以污泥为原料制备的吸附剂性能也不同﹒本试验采用的原材料性质如表 1所示﹒试验采用化学活化法，并采用氯化锌为活化剂﹒分别取以下5因素为试验变量因素，采用碘吸附值作为吸附剂性能评价依据﹒具体试验因素及方案如表2所示﹒

表1 原材料主要指标值 %

表2 正交试验因素表

2 试验数据分析

2.1 单因素试验成果

取活化温度、活化时间、活化浓度、浸渍比为研究因素，得其在不同条件下吸附性能表现如图1～图4所示﹒

图1 活化温度对碘吸附值的影响

图2 活化浓度对碘吸附值的影响

图3 活化时间对碘吸附值的影响

图4 浸渍比对碘吸附值的影响

由图1～图4可以明显看出，污泥吸附剂在不同因素下均具有吸附性能，在温度超过550 ℃条件下，吸附性能下降﹒由于在高温下活化剂受蒸发影响，药剂损失严重，从而实际起作用的氯化锌减少，此温度为单因素实验的最佳温度﹒同理，可确定对于以污泥作为原料的吸附剂的最佳试验条件为：550 ℃的活化温度、6 mol/L的ZnCl2浓度、30 min的活化时间、1︰2的浸渍比﹒超过最佳条件后，活性炭的吸附性能将会呈下降趋势﹒这是由于在最佳条件时，活性炭的孔隙率达到了最佳状态，持续改变条件，不能优化活性炭的结构，甚至可能破坏已有结构，因此再继续加吸附剂，其吸附性能不会持续增加﹒

2.2 正交试验结果

根据表2制定正交试验分组表，并测定相应碘吸附值如表3所示﹒Mij代表j列中相应于表中水平号为i的各项结果的总和；即为相应的均值；Rj为极差值，指第j列Mij值中最大者与最小者之差，即Sj为离差平方和，其计算公式为

表3 正交试验结果

从表3可看出，在16组样品中，13号样品制备的吸附剂的碘吸附值最大，为717.55 mg/g，3号样品制备的吸附剂的碘吸附值最小，为342.90 mg/g﹒活化剂ZnCL2浓度为5 mol/L时吸附剂的平均碘吸附值最高为587.38 mg/g；温度为500 ℃时吸附剂的平均碘吸附值最高为561.98 mg/g；活化时间 2 h时吸附剂的平均碘吸附值最高为546.10 mg/L浸渍比为1︰1时吸附剂的平均碘吸附值最高为542.93 mg/L；原料配比为2︰1时吸附剂的平均碘吸附值最高为552.46 mg/L﹒

通过Rj值的比较分析得出对各因素对吸附剂的影响程度﹒表中：R1＞R5＞R2＞R3＞R4，即有活化剂浓度＞配比＞活化温度＞活化时间＞浸渍比﹒Mij反应的是同一因素不同水平对实验的影响程度，从正交数据表中可推断出，在活化剂浓度中取ZnCl2为5 mol/L作为浓度中最优因素﹒同理选出温度为500 ℃、活化时间为2 h、浸渍比为1︰1、原料配比为2︰1作为最优因素制备吸附剂﹒以此为依据制得的吸附剂碘吸附值781.05 mg/g，活性炭的吸附性能最佳，吸附剂产率为14.35%﹒

3 结语

本文研究了活化剂浓度、活化时间、浸渍比、原料配比等因素对污泥活性炭吸附性能的影响，通过单因素和正交实验的对比可知，正交实验制得的活性炭吸附性能明显优于单因素实验所制的活性炭﹒

[1]唐子君, 方平, 黄建航, 等. 城市剩余污泥制备活性炭吸附剂对Ni2+的吸附研究[J]. 工业水处理, 2014, 34(12): 57-60.

[2]刘雪刚, 孙世群. 剩余污泥处置现状及活性炭制备技术研究[J]. 广州化工, 2013, 41(12): 35-37.

[3]赵丽君, 张大群, 陈宝珠. 污泥处理与处理技术的进展[J]. 中国给水排水, 2001, 17(6): 23-25.

[4]王罗春. 污泥处理干化与焚烧技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2010.

[5]徐强. 污泥处理处置新技术、新工艺、新设备[M]. 北京: 化学工业出版社, 2011.

[6]刘奇, 李智. 剩余污泥处理技术现状与进展研究[J]. 四川化工,2016, 19(2): 20-22.

[7]张树国, 吴志超, 张善发. 上海市污水处理厂污泥处置对策研究[J]. 环境工程, 2004, 2(1): 75-78.

[8]周品, 谷麟, 饶姗姗, 等. 秸秆-污泥符合基活性炭的制备及其对1,2,4-酸氧体的吸附特性[J]. 环境化学, 2013, 32(1): 106-111.

[10]杨莉, 谢宇, 邱贤华. 花生壳活性炭处理废水研究[J]. 花生学报, 2009, 38(1): 10-17.

[11]李思雨, 周志飞, 魏媛, 等. 花生壳基活性炭的制备及其电化学性能研究[J]. 化工新型材料, 2016, 44(6): 243-245.

[12]张华, 唐卫军, 吴百春, 等. 改性花生壳活性炭吸附-催化臭氧氧化处理反渗透浓水[J]. 环境工程学报, 2016, 10(10):5637-5642.

[13]李章良, 崔芳芳, 杨茜麟, 等. 花生壳活性炭对水溶液中Cr(Ⅵ)的吸附性能[J]. 环境工程学报, 2014, 8(9): 3778-3784.

[14]刘羽, 陈迁, 牛志睿, 等. 花生壳基污泥活性炭的制备及其对含油废水的处理效果研究[J]. 环境污染与防治, 2016, 38(9):43-47.

(责任编校：陈健琼)

Research on the Adsorption Performance of Activated Carbon Adsorbent with Excess Sludge

DENG Yu-mei,YANG Chu-hui,YU Dong-hui,LIU Xiao-yang,HUANG Yuan-tao
(College of Municipal and Mapping Engineering, Hunan City Universtiy, Yiyang, Hunan 413000, China )

This activated carbon had been prepared with excess sewage and peanut shell, by chemical activation pyrolysis, so as to research its absorption performance. Though single factor experiments, the optimal testing parameters were determined by studying different activation temperature, activated time,activator concentration, impregnation ratio and raw material ratio. The results of orthogonal experiment indicated that the adsorption efficiency was optimal as the concentration of ZnCl2was 5mol/L, activation temperature was 600 °C, activated time was 2 h, solid-liquid ratio was 1:1, raw impregnation ratio was 2:1.The capacity of iodine adsorption was 781.05 mg/g at the rate of its production of 14.35%. The performances had improved significantly compared with the adsorbent which made only by excess sludge.

excess sewage; peanut shell; activated carbon; absorption performance

TU992.3；G482

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0016

1672–7304(2017)03–0070–04

2017-04-15

湖南城市学院科技计划项目(2016xj14)

邓玉梅(1989-)，女，湖南益阳人，硕士，助教，主要从事污(废)水处理理论与技术研究．E-mail: dym909168@163.com.