一种污泥热解生物炭的资源化利用方法技术

本发明专利技术属于污泥热解炭处理领域，公开了一种污泥热解生物炭的资源化利用方法，该方法包括：S1、将污泥热解生物炭依次采用浸提剂Ⅰ、浸提剂Ⅱ和浸提剂Ⅲ进行浸提，得浸提液和固体残渣Ⅲ；S2、将浸提液经浓缩之后进行离子交换树脂分离，得到不同的金属离子和磷酸根离子；S3、以镁离子和磷酸根离子以及额外加入的铵源作为原料制备鸟粪石；将固体残渣Ⅲ依次进行水洗、烘干、水蒸气活化和金属离子负载改性，得到功能性吸附材料。采用本发明专利技术提供的方法能够对污泥热解生物炭中的金属离子有效分离回收，其中，镁离子以及磷酸根离子用于制备鸟粪石，最终浸提残渣可作为花肥或者被制成功能性吸附材料，从而实现污泥热解生物炭的资源化利用。

A Resource Utilization Method of Biochar from Sludge Pyrolysis

【技术实现步骤摘要】
一种污泥热解生物炭的资源化利用方法
本专利技术属于污泥热解炭处理领域，具体涉及一种污泥热解生物炭的资源化利用方法。
技术介绍
随着现代化城市的市政设施服务水平的日益提高，城市污泥的产生量逐渐增大。在诸多污泥资源化利用方法当中，污泥热解具有处理迅速、无害化处理彻底、处理后污泥稳定性好并可回收能源等优点，日益受到重视。污泥热解所得生物炭中重金属的含量是否达标及其存在形态，很大程度上影响了污泥热解生物炭的进一步应用。相关研究表明，污泥热解炭中重金属在热解过程中会发生富集。虽然热解本身对污泥中重金属会起到稳定化的作用，也有众多现有技术采用诸如添加固化剂等方式对重金属进行稳定化，但对于污泥热解生物炭的应用，其中重金属的限制非常严格，如果贸然将污泥热解生物炭施用于土壤，在未来土壤中微生物的作用下，长期的土壤环境变化过程中，可能会导致污泥热解生物炭中重金属从稳定态向不稳定态转化。因此，倘若没有将污泥热解生物炭中重金属的总量降低至低于相关国家标准，只是一味的固定稳定化，会对环境存在长期的潜在污染风险。同时，污泥热解生物炭在热解过程中对金属进行了富集，经检测，除了存在大量的由絮凝剂带来的铝铁等普通金属外，还存在着金银等贵金属，尤其在采用工业污泥制得的污泥热解活性炭中，因此将污泥热解活性炭中的金属提取出来显得尤为重要。目前的研究主要集中在污泥中重金属、磷及其他元素的提取回收，尚未出现污泥热解活性炭中的重金属、磷及其他元素的提取回收及资源化的相关报道。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种新的污泥热解生物炭的资源化利用方法，以实现污泥热解生物炭的资源化，该方法能够在解决污泥热解生物炭应用中重金属限制的瓶颈问题的同时，使得污泥生物炭中的一般金属、磷及其他元素等资源得到充分利用。具体地，本专利技术提供了一种污泥热解生物炭的资源化利用方法，该方法包括以下步骤：S1、浸提：将污泥热解生物炭采用浸提剂Ⅰ进行第一次浸提，得到第一次浸提液和固体残渣Ⅰ，再将所得固体残渣Ⅰ采用浸提剂Ⅱ进行第二次浸提，得到第二次浸提液和固体残渣Ⅱ，之后将所述固体残渣Ⅱ采用浸提剂Ⅲ进行第三次浸提，得到第三次浸提液和固体残渣Ⅲ；所述浸提剂Ⅰ选自柠檬酸、EDTA和氢氧化钠中的至少一种溶液，所述浸提剂Ⅱ为无机酸溶液，所述浸提剂Ⅲ为磷酸和双氧水的混合溶液；S2、金属离子和磷酸根离子的分离：分别将所述第一次浸提液、第二次浸提液和第三次浸提液经浓缩之后进行离子交换树脂分离，得到不同的金属离子和磷酸根离子；S3、鸟粪石和功能性吸附材料的制备：以步骤S2得到的镁离子和磷酸根离子以及额外加入的铵源作为原料制备鸟粪石；将所述固体残渣Ⅲ采用水洗涤之后烘干，并将至少部分烘干产物进行水蒸气活化，之后利用步骤S2得到的金属离子进行负载改性，得到功能性吸附材料。进一步的，步骤S1中，所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提的条件各自独立地包括浸提温度为25～95℃，浸提时间为1h～10d，固液比为(5～40)g:1L。进一步的，所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提均在超声条件下进行，且超声频率为20～65kHz。进一步的，步骤S1中，所述浸提剂Ⅰ和浸提剂Ⅱ的摩尔浓度为0.01～5mol/L，所述浸提剂Ⅲ中磷酸的摩尔浓度为0.01～5mol/L且双氧水的体积浓度为2～20％。进一步的，所述浸提剂Ⅱ选自硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种。进一步的，步骤S2中，所述离子交换树脂分离所采用的离子交换树脂选自强酸性离子交换树脂、弱酸性离子交换树脂、弱碱性离子交换树脂和螯合型离子交换树脂中的至少一种。进一步的，本专利技术提供的污泥热解生物炭的资源化利用方法还包括在所述离子交换树脂分离之后，对饱和吸附的离子交换树脂进行酸化再生处理，所得含重金属离子的洗脱液采用废铝置换后制成合金金属颗粒，同时将所得含铝溶液作为辅助絮凝剂加入污水处理厂二沉池。进一步的，步骤S3中，在制备鸟粪石的过程中，所述镁离子和磷酸根离子以及额外加入的铵源的用量使得镁离子、磷离子和铵离子的摩尔比为(1～1.8):(0.8～1.5):(3.5～4.5)。进一步的，步骤S3中，在所述洗涤过程中，固液比为(5～40)kg:1m3。进一步的，步骤S3中，所述水蒸气活化的条件包括活化温度为700～900℃，水蒸气的用量为1～5mL/min，活化时间为10～30min。进一步的，步骤S3中，所述负载改性的方式为共沉淀改性。进一步的，步骤S3中，该方法还包括将剩余部分烘干产物作为肥料使用。采用本专利技术提供的方法能够对污泥热解生物炭中的金属离子以及磷酸根离子实现有效分离回收利用，其中，镁离子以及磷酸根离子用于制备鸟粪石，最终浸提残渣可作为肥料或者被制成功能性吸附材料，从而实现了污泥热解生物炭的资源化利用。附图说明图1为本专利技术提供的污泥热解生物炭的资源化利用方法的一种具体流程示意图。具体实施方式在本专利技术中，所述污泥热解生物炭是指以污泥作为原料通过热解制成的生物炭。所述污泥热解生物炭中含有镁、铅、锰、铜、锌、钙、铁、铬、铝等金属阳离子以及磷酸根等阴离子。在本专利技术中，步骤S1中，通过对污泥热解生物炭进行分级浸提以实现金属阳离子以及磷酸根阴离子的回收。其中，所述第一次浸提主要用于回收磷酸根、镁、铅、锰等离子，第二次浸提主要用于回收铜、锌、钙、铁等金属阳离子，第三次浸提主要用于回收铬、铁、铝等金属阳离子。所述第一次浸提所采用的浸提剂Ⅰ选自柠檬酸、EDTA和氢氧化钠中的至少一种溶液，所述第二次浸提所采用的浸提剂Ⅱ为无机酸溶液，所述第三次浸提所采用的浸提剂Ⅲ为磷酸和双氧水的混合溶液。其中，所述浸提剂Ⅱ优选选自硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种。此外，所述浸提剂Ⅰ和浸提剂Ⅱ的摩尔浓度优选为0.01～5mol/L。所述浸提剂Ⅲ中磷酸的摩尔浓度优选为0.01～5mol/L且双氧水的体积浓度优选为2～20％。本专利技术对三次浸提的条件没有特别的限定，只要能够实现金属阳离子的充分提取即可。根据本专利技术的一种优选实施方式，所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提的条件各自独立地包括浸提温度为25～95℃，浸提时间为1h～10d，固液比为(5～40)g:1L。此外，为了更有利于金属阳离子以及磷酸根离子的溶出，所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提均优选在超声条件下进行，且超声频率优选为20～65kHz。在本专利技术中，步骤S2中，所述浓缩的条件以使得浸提液的体积减少至原溶液的(1/5～1/3)为准。三次浸提所得浸提液经浓缩之后进行离子交换树脂分离，利用保留时间的不同实现对各浸提液中所含的混合离子的再次分离，不同保留时间得到单一离子。例如，所述浸提剂Ⅱ中主要含有铜、锌、钙、铁这几种金属离子，经离子交换树脂分离之后，由于保留时间的不同，这几种金属离子能够从离子交换树脂柱中洗脱而实现分离。同理，所述浸提剂Ⅰ和浸提剂Ⅲ中所含的磷酸根和金属离子也能够得以分离。将三次浸提所得浸提液浓缩之后进行离子交换树脂分离所采用的离子交换树脂的种类可以相同，也可以不同，例如，可以各自独立地选自强酸性离子交换树脂、弱酸性离子交换树脂、弱碱性离子交换树脂和螯合型离子交换树脂中的至少一种，具体应该根据其中所含的金属阳离子种类做出选择，只要能够将各自所含的混合金属离子分离成单一金属离子即可。根据本专利技术的一种优选实施方式，本专利技术提供的污泥热解生物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种污泥热解生物炭的资源化利用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、浸提：将污泥热解生物炭采用浸提剂Ⅰ进行第一次浸提，得到第一次浸提液和固体残渣Ⅰ，再将所得固体残渣Ⅰ采用浸提剂Ⅱ进行第二次浸提，得到第二次浸提液和固体残渣Ⅱ，之后将所述固体残渣Ⅱ采用浸提剂Ⅲ进行第三次浸提，得到第三次浸提液和固体残渣Ⅲ；所述浸提剂Ⅰ选自柠檬酸、EDTA和氢氧化钠中的至少一种溶液，所述浸提剂Ⅱ为无机酸溶液，所述浸提剂Ⅲ为磷酸和双氧水的混合溶液；S2、金属离子和磷酸根离子的分离：分别将所述第一次浸提液、第二次浸提液和第三次浸提液经浓缩之后进行离子交换树脂分离，得到不同的金属离子和磷酸根离子；S3、鸟粪石和功能性吸附材料的制备：以步骤S2得到的镁离子和磷酸根离子以及额外加入的铵源作为原料制备鸟粪石；将所述固体残渣Ⅲ采用水洗涤之后烘干，并将至少部分烘干产物进行水蒸气活化，之后利用步骤S2得到的金属离子进行负载改性，得到功能性吸附材料。

【技术特征摘要】
1.一种污泥热解生物炭的资源化利用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、浸提：将污泥热解生物炭采用浸提剂Ⅰ进行第一次浸提，得到第一次浸提液和固体残渣Ⅰ，再将所得固体残渣Ⅰ采用浸提剂Ⅱ进行第二次浸提，得到第二次浸提液和固体残渣Ⅱ，之后将所述固体残渣Ⅱ采用浸提剂Ⅲ进行第三次浸提，得到第三次浸提液和固体残渣Ⅲ；所述浸提剂Ⅰ选自柠檬酸、EDTA和氢氧化钠中的至少一种溶液，所述浸提剂Ⅱ为无机酸溶液，所述浸提剂Ⅲ为磷酸和双氧水的混合溶液；S2、金属离子和磷酸根离子的分离：分别将所述第一次浸提液、第二次浸提液和第三次浸提液经浓缩之后进行离子交换树脂分离，得到不同的金属离子和磷酸根离子；S3、鸟粪石和功能性吸附材料的制备：以步骤S2得到的镁离子和磷酸根离子以及额外加入的铵源作为原料制备鸟粪石；将所述固体残渣Ⅲ采用水洗涤之后烘干，并将至少部分烘干产物进行水蒸气活化，之后利用步骤S2得到的金属离子进行负载改性，得到功能性吸附材料。2.根据权利要求1所述的污泥热解生物炭的资源化利用方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提的条件各自独立地包括浸提温度为25～95℃，浸提时间为1h～10d，固液比为(5～40)g:1L；所述第一次浸提、第二次浸提和第三次浸提均在超声条件下进行，且超声频率为20～65kHz。3.根据权利要求1所述的污泥热解生物炭的资源化利用方法，其特征在于，步骤S1中，所述浸提剂Ⅰ和浸提剂Ⅱ的摩尔浓度为0.01～5mol/L，所述浸提剂Ⅲ中磷酸的摩尔浓度为0.01～5mol/L且双氧水的体积浓度为2～20％；所述浸提剂Ⅱ选自硫酸、硝酸和盐酸中...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪印，李智伟，
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