一种磁性生物炭材料的制备方法及其装置和用途制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种磁性生物炭材料的制备方法及其装置和用途，包括如下步骤：将污水处理厂污泥进行高温无氧热解获得污泥生物炭，然后进行干法细磨获得生物炭粉末，对污泥生物炭粉末进行干式磁选，获得磁性材料，经调湿和造粒后得到的颗粒料，在保护气氛下进行高温烧结，得到烧结物料，随炉冷却，得到多孔结构的磁性生物炭材料。本发明专利技术从污泥热解产物生物炭中分离出一种磁性材料，并用于制备磁性生物炭材料用于氟喹诺酮类抗生素如环丙沙星高效吸附去除，实现了污泥生物炭的资源化利用，降低了吸附材料的制备成本，工艺简单，应用性强，具有良好的经济效益与环境效益。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性生物炭材料的制备方法及其装置和用途
本专利技术涉及污泥生物炭的利用以及抗生素废水处理
，尤其是一种磁性生物炭材料的制备方法及其装置和用途。
技术介绍
氟喹诺酮类(fluoroquinolones,FQs)抗生素是在喹诺酮类抗生素的基础上引入氟原子开发出的，是一种全合成的广谱抗菌药。FQs在治疗由人与动物因细菌感染引起的疾病上，效果显著，具有良好的药物动力学特性，在医药行业和畜牧养殖业得到了广泛的应用。2009年，其使用量已位于抗感染药物前列，占据全球抗生素市场份额的17％。研究表明，FQs在体内的代谢率小于25％，除少部分残留在体内，75％以上以原药和代谢产物的形式经由病人与动物的粪尿排出体外。FQs进入环境后，由于其化学性质比较稳定，可通过吸附、迁移以及生物富集等一系列过程存在于各环境介质中，尤其存在于环境水体中，从而危害环境中的各类生物，诱发和传播各类抗生素耐药细菌，破坏生态环境。文献调研可知，在环境的各种水体中(污水处理厂、医院废水、养殖废水、地表水、地下水、饮用水等)均有FQs的检出。其中以环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星的检出浓度较高，污染较为普遍，在地表水、地下水和废水中广泛存在(《高温堆肥对鸡粪中氟喹诺酮类抗生素的去除》，孟磊等，《农业环境科学学报》2015年第02期)。环丙沙星(CIP)作为第三代氟喹诺酮类药物，其抗菌活性强，具有很强的稳定性和抗水解能力，如何对含环丙沙星(CIP)废水的净化去除是人们关注的难点问题。当前处理方法中，生物处理法普遍存在处理周期长，处理不彻底，代谢产物仍有抑菌活性等问题；膜处理方法主要针对颗粒污染物的去除，对于抗生素这种溶解性有机污染物去除效果一般，所以通常需要与其他技术联合应用。吸附法因在去除抗生素方面同样具有效率高，去除彻底等优点，但是当前现有吸附剂普遍存在吸附剂回收困难、制备成本高、消耗量大等不足。专利技术专利申请CN103204562A公开了一种利用硫化铜吸附去除水中抗生素类污染物的方法，将含抗生素类污染物的废水调节pH至5-9，利用硫化铜床层实现吸附净化，处理成本较高且不能循环利用。专利技术专利CN104108764B公开了一种抗生素药物污染废水的修复方法，将褐土、潮土、红壤和黑土中的一种或两种以上混合风干后过15-30目筛，于400-600℃灼烧15-40min，得修复剂，用于对污染废水中抗生素药物的去除。该方法采用土壤低温锻烧的方法得到修改剂，不易回收利用，且不涉及污泥热解残渣生物炭的资源化利用。专利技术专利申请CN106362690A公开了一种磁性生物炭吸附材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)生物炭的制备：以植物生物质处理得到的粉末为原材料，在无氧条件下焙烧得到多孔状的生物炭；(2)三价铁前驱液的制备：以乙二醇为分散剂，向其中加入固态的三价铁盐，接着向该乙二醇中继续加入醋酸钠和表面活性剂，搅拌后形成分散系即三价铁前驱液；(3)溶剂热反应：将生物炭与三价铁前驱液两者混合均匀得到混合物，并置于聚四氟乙烯水热反应釜中，进行溶剂热反应即得到磁性生物炭吸附材料。专利技术专利申请CN107096500A公开了一种利用中药渣制备磁性生物炭的方法、磁性生物炭与应用，该方法将中药渣与碳酸钠浸渍预处理后，经铁盐浸渍、高温厌氧活化、洗涤干燥等处理得到磁性生物炭。本专利技术方法具有生产工艺简单、原材料易得、产品固液效率高等特点。上述方法中，磁性生物炭的制备过程复杂，制备成本较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是克服现有技术存在的磁性生物炭制备过程复杂，制备成本较高的问题，提供一种磁性生物炭材料的制备方法及其装置和用途。通常磁性炭制作时会引入改性试剂，对炭进行化学改性，才具有磁性，本专利技术没有改性，而是利用了在废水处理过程添加的铁系絮凝剂残留在污泥中，铁元素与污泥中的有机质和无机组分充分融合分散，并在热解工艺处理后，得到具有良好的磁性的铁系组份，经磁选可以得到磁性材料。本工艺充分利用了废水处理工艺生成污泥的过程，将其当作磁性材料制备前原料的改性过程；将废弃物污泥作为磁性材料制备的原料，其热解得到的磁性材料，其磁性较好且成本较低，无需像传统方法那样单独添加铁系前驱液。本专利技术所述的磁性生物炭材料是以污泥热解、磁选获得的磁性材料为基础，虽然磁选后获得的磁性材料具有一定吸附性能，但是并不具备高效吸附溶液中氟喹诺酮类抗生素的性能，而且在实际应用过程中，因粒度较小，不易循环回收利用。本专利技术将磁选后获得的磁性材料经过高温烧结，制备得到的磁性生物炭具有发达的孔隙，存在大量的毛细通道，使得其可以很好的克服固液之间的阻力，通过毛细作用将抗生素分子吸附到孔隙表面，并利用表面力将其束缚；由于是保护气氛下锻烧，因此，污泥生物炭中的5～10％碳元素，在高温烧结过程中得到进一步活化，均布在发达孔隙中；多孔材料中硅、铁、铝、镁构成的金属氧化物具有亲水点位，金属离子可吸附水分子解离后的OH-，金属氧化物中的氧原子则吸附H+，相应产生金属氧化物表面羟基官能团Si—OH、Fe—OH、Al—OH、Mg—OH等；而且，经高温无氧煅烧后，晶体结构、表面官能团等活性位点增多、负电荷以及可变电荷数量增加，从而使其对氟喹诺酮类吸附能力进一步增强，去除率大于等于95％。本专利技术所利用磁性生物炭材料具备易再生特点，其在惰性气体下进行热脱附，热脱附温度为400-600℃，惰性气体为氮气、氩气或氦气，脱附再生时间为0.5-1h，热脱附后再生的多孔材料可以再次用于吸附氟喹诺酮类抗生素，脱附后对吸附氟喹诺酮类抗生素的吸附性能恢复至，吸附性能>98％的初始磁性生物炭材料的吸附性能。具体方案如下：一种磁性生物炭材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)：将污水处理厂污泥进行高温无氧热解获得污泥生物炭，所述污水处理厂污泥为污水经过铁系絮凝剂处理后产生的污泥；步骤(2)：将步骤(1)获得的污泥生物炭进行干法细磨获得生物炭粉末；步骤(3)：对步骤(2)获得的污泥生物炭粉末进行干式磁选，获得磁性材料；步骤(4)：将步骤(3)获得的磁性材料经调湿和造粒后得到的颗粒料，在保护气氛下进行高温烧结，得到烧结物料；步骤(5)：将步骤(4)获得的烧结物料随炉冷却，得到多孔结构的磁性生物炭材料。进一步的，所述步骤(1)中，所述污水处理厂污泥高温无氧热解的温度为680-900℃。进一步的，所述步骤(2)中，所述干法细磨后得到的生物炭粉末<100目，干式粉磨的方式为气流磨、球磨或雷蒙磨。进一步的，所述步骤(3)中，所述干式磁选的磁场强度为1500-3000Oe。进一步的，所述步骤(4)中，所述磁性材料的调湿方法为加水混合调湿，调湿后含水率为6％-15％；任选的，所述步骤(4)中，所述造粒方法为圆盘造粒或滚筒造粒，粒径为3-5mm；任选的，所述步骤(4)中，所述高温烧结的烧结制度为以3-7℃/min速率从室温至烧结终温，之后在烧结终温下保温20-40min，烧结终温为1050℃-1100℃；任选的，所述步骤(4)中烧结产生的余热烟气回用到所述步骤(1)中高温无氧热解过程；任选的，所述步骤(5)中，所述随炉冷却的冷却速率小于等于5℃/min，冷却到室温。本专利技术还提供运用所述的一种磁性生物炭材料的制备方法的装置，包括：污泥储仓(1)，1#输送本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性生物炭材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)：将污水处理厂污泥进行高温无氧热解获得污泥生物炭，所述污水处理厂污泥为污水经过铁系絮凝剂处理后产生的污泥；步骤(2)：将步骤(1)获得的污泥生物炭进行干法细磨获得生物炭粉末；步骤(3)：对步骤(2)获得的污泥生物炭粉末进行干式磁选，获得磁性材料；步骤(4)：将步骤(3)获得的磁性材料经调湿和造粒后得到的颗粒料，在保护气氛下进行高温烧结，得到烧结物料；步骤(5)：将步骤(4)获得的烧结物料随炉冷却，得到多孔结构的磁性生物炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种磁性生物炭材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)：将污水处理厂污泥进行高温无氧热解获得污泥生物炭，所述污水处理厂污泥为污水经过铁系絮凝剂处理后产生的污泥；步骤(2)：将步骤(1)获得的污泥生物炭进行干法细磨获得生物炭粉末；步骤(3)：对步骤(2)获得的污泥生物炭粉末进行干式磁选，获得磁性材料；步骤(4)：将步骤(3)获得的磁性材料经调湿和造粒后得到的颗粒料，在保护气氛下进行高温烧结，得到烧结物料；步骤(5)：将步骤(4)获得的烧结物料随炉冷却，得到多孔结构的磁性生物炭材料。2.根据权利要求1所述的一种磁性生物炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述污水处理厂污泥高温无氧热解的温度为680-900℃。3.根据权利要求1所述的一种磁性生物炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述干法细磨后得到的生物炭粉末<100目，干式粉磨的方式为气流磨、球磨或雷蒙磨。4.根据权利要求1所述的一种磁性生物炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述干式磁选的磁场强度为1500-3000Oe。5.根据权利要求1所述的一种磁性生物炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述磁性材料的调湿方法为加水混合调湿，调湿后含水率为6-15重量％；任选的，所述步骤(4)中，所述造粒方法为圆盘造粒或滚筒造粒，粒径为3-5mm；任选的，所述步骤(4)中，所述高温烧结的烧结制度为以3-7℃/min速率从室温至烧结终温，之后在烧结终温下保温20-40min，烧结终温为1050℃-1100℃；任选的，所述步骤(4)中烧结产生的余热烟气回用到所述步骤(1)中高温无氧热解过程；任选的，所述步骤(5)中，所述随炉冷却的冷却速率小于等于5℃/min，冷却到室温。6.运用权利要求1-5中任一项所述的一种磁性生物炭材料的制备方法的装置，包括：污泥储仓(1)，1#输送装置(2)，热解装置(3)，1#冷却装置(4)，2#输送装置(5)，干法细磨装置(6)，3#输送装置(7)，磁选装置(8)，4#输送装置(9)，非磁性物储仓(10)，5#输送装置(11)，磁性材料储仓(12)，6#输送装置(13)，调湿造粒装置(14)，7#输送装置(15)，水储仓(16)，筛分装置(17)，9#输送装置(19)，烧结装置(20)，燃烧装置(21)，10#输送装置(22)，气体净化装置(23)，2#冷却装置(24)，11#输送装置(25)和磁性生物炭材料储仓(26)；其中，所述污泥储仓(1)出口与所述1#输送装置(2)入口相连，所述1#输送装置(2)出口与所述热解装置(3)入口相连，所述热解装置(3)出口与所述1#冷却装置(4)入口相连，所述1#冷却装置(4)出口与所述2#输送装置(5)入口相连，所述2#输送装置(5)出口与所述干法细磨装置(6)入口相连，所述干法细磨装置(6)出口与所述3#输送装置(7)入口相连；所述3#输送装置(7)出口与所述磁选装置(8)入口相连；所述磁选装置(8)磁选出的非磁性物质经所述4#输送装置(9)输送入所述非磁性物储仓(10)；所述磁选装置(8)磁选出的磁性材料经所述5#输送装置(11)输送入所述磁性材料储仓(12)；所述磁性材料储仓(12)出口与所述6#输送装置(13)入口相连，所述6#输送装置(13)出口与所述调湿造粒装置(14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：余广炜，汪刚，汪印，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35