一种功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备及应用，是用水热的方法将剩余污泥制备成一定尺寸的水热碳化污泥颗粒，经900℃氮气氛下热处理2h后得到污泥基碳颗粒，再将污泥基碳颗粒浸渍在含一定比例铁盐和锰盐的溶液中，置于40℃恒温摇床内震摇至溶液完全蒸干，取出后置于马弗炉中400℃热处理后得到污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料。常温常压下，单室双电极体系中，将本发明专利技术制备的污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料作为三维颗粒电极，相同尺寸的钛网分别作为阴阳极，从反应器底部鼓入空气，2.0V外加电压下，催化空气氧化TOC浓度为200mg

【技术实现步骤摘要】
一种功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备及其应用


[0001]本专利技术涉及一种功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备及其应用，具体地说是一种剩余污泥的处置及其作为电助催化湿式空气氧化反应系统中新型电极材料的制备与在有机污染物废水处理中的应用。

技术介绍

[0002]剩余污泥是城市污水处理过程中产生的一种含有大量有机物、多种金属元素及致病物质的固体废弃物。随着我国每年污水处理量的逐渐增加，污泥产量也不断增长。城市污泥的合理处置已成为社会经济发展中亟待解决的问题。传统的污泥处置主要依靠填埋、堆肥和焚烧。然而随着环境保护意识的加强，这些污泥处置的方法受到越来越多的限制，若不能妥善处理日渐增多的剩余污泥将会引起严重的二次污染。因此，剩余污泥资源化处置利用新技术的开发受到社会各界越来越多的关注，其中，污泥热解碳化制备活性炭的方法得到了广泛的认可。
[0003]催化湿式空气氧化是指在一定温度和压力下，以富氧气体或氧气为氧化剂，利用催化剂的催化作用，加快废水中有机物与氧化剂间的呼吸反应，使废水中的有机污染物分解为CO2和H2O等无机物或小分子有机物的化学过程。由于采用了氧化催化剂，与传统的湿式空气氧化相比，催化湿式空气氧化反应温度及压力更低、时间更短、更高效，从而大大降低了投资和运行的费用，被认为是一种有广泛工业应用前景的废水处理新技术。该法可应用于炼焦、化工、石油及合成工业产生的高浓度工业废水处理，特别是有机农药、染料、合成纤维、易燃易爆物质及难以生物降解的高浓度工业有机废水。虽然比湿式空气氧化的反应条件温和，但催化湿式空气氧化仍需要80℃以上的操作温度和0.5MPa以上的操作压力。进一步降低催化湿式空气氧化反应的温度和压力，提高催化剂的稳定性，延长催化剂的使用寿命，是该技术发展过程中亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述现有技术所存在的问题，提供了一种功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备及其应用。本专利技术以剩余污泥为原材料，经水热、碳化、浸渍及热处理后得到一定尺寸大小的磁性污泥碳颗粒并将其作为颗粒电极，常温常压下，在外电场的作用下驱动污泥碳表面催化剂催化空气氧化降解废水中的有机物污染物。
[0005]本专利技术功能化污泥基碳三维颗粒电极的制备，是以剩余污泥为原材料，经水热、碳化、浸渍及热处理后得到一定尺寸大小的磁性污泥碳颗粒，具体包括如下步骤：
[0006]步骤1：将经80℃烘干的市政污泥干粉配制成浓度为5～20wt％的溶液，用HCl调节pH 值至1～3后转入反应釜中，于160～220℃下水热碳化8～24h；冷却后过滤，洗涤水热污泥至中性后于80℃下烘干；将干燥后的水热污泥粉碎并过80目筛，按泥水质量比3：2的比例逐渐加水并搅拌均匀后填入磨具中，冷冻干燥后得到粒径为5
±
0.2mm的水热碳化污泥颗粒；
[0007]步骤2：将获得的水热碳化污泥颗粒于900℃氮气氛围下热处理2h，得到污泥基碳颗粒；再将污泥基碳颗粒浸渍于含有铁盐和锰盐的盐溶液中，置于40℃恒温摇床内震摇至溶液完全蒸干，取出后置于马弗炉中，于400℃下热处理，得到污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料。
[0008]所述铁盐为硝酸铁，所述锰盐为醋酸锰、硝酸锰、氯化锰或硫酸锰中的一种；铁和锰的摩尔比为0.5～5：1，其铁盐和锰盐总质量为干污泥质量的20～100wt％。
[0009]此外，为防止铁盐在干燥过程中形成氢氧化铁沉淀，需加入等摩尔比以上的柠檬酸、EDTA 或氨三乙酸作为络合剂。
[0010]通过上述方法制得的功能化污泥基碳三维颗粒电极的应用，是以所述功能化污泥基碳颗粒电极作为三维电极应用于催化湿式空气氧化系统，可有效去除废水中的有机物污染物。具体包括如下步骤：
[0011]常温常压下，200mL单室双电极体系中，将本专利技术制备的污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料作为三维颗粒电极，相同尺寸的钛网分别作为阴阳极，从反应器底部以20mL
·
min-1
的流速鼓入空气，2.0V外加电压下，催化空气氧化TOC浓度为200mg
·
L-1
垃圾渗滤液，可使其在2h内矿化率达到98％以上。
[0012]所述三维颗粒电极的用量占反应器体积的1/3～2/3，所述阴阳极分别是包有面积为10cm2的片装磁铁的钛网，其中磁铁表面包覆绝缘聚合物涂层，阴阳极的间距为2cm。
[0013]与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0014]1、本专利技术利用剩余污泥制备功能化污泥基碳颗粒电极并应用催化湿式空气氧化系统，是剩余污泥处置的新方法，同时也有效降低了电极材料的生产成本。
[0015]2、本专利技术通过简单的浸渍和热处理方法将铁锰双金属氧化物负载到污泥颗粒表面，有利于发挥双金属氧化物的协同催化功效。
[0016]3、本专利技术制备的污泥基碳三维颗粒电极具有良好的磁性，有利于颗粒之间以及颗粒与电极之间的紧密接触，实现了低电压下垃圾渗滤液的常温常压催化湿式空气氧化反应。
附图说明
[0017]图1为实施例1以功能化污泥基碳载铁锰双金属氧化物为颗粒电极的催化湿式空气氧化反应装置示意图。
[0018]图2为不同铁锰比制备的污泥基碳载铁锰双金属氧化物复合材料的XRD图。由图可以看出，在铁锰比在1:2～2:1范围内，污泥碳表面负载的双金属氧化物主要以Fe3O4和Mn3O4混合金属氧化物形式存在。
[0019]图3为实施例1条件下，以污泥基碳载不同金属氧化物为颗粒电极的催化湿式空气氧化垃圾渗滤液在5次连续循环后TOC去除率随循环次数的变化曲线图。由图可以看出，铁含量的增加，有利于颗粒电极循环稳定性的增强。
[0020]图4为实施例1条件下，污泥基碳载不同金属氧化物为颗粒电极的催化湿式空气氧化垃圾渗滤液第5次循环降解过程中TOC去除率随时间的变化曲线图。由图可以看出，Fe与Mn 按摩尔比为1：1时，颗粒电极材料的降解性能最佳。
具体实施方式
[0021]实施例1：
[0022]将经80℃烘干的市政污泥干粉配成浓度为5wt％的溶液，用HCl调节pH至1后转入反应釜中，于160℃下水热碳化8h；冷却后过滤、洗涤水热污泥至中性，于80℃下烘干；将干燥后的水热污泥粉碎并过80目筛后，按泥水质量比3：2逐渐加入清水并搅拌均匀后填入磨具中，冷冻干燥后得到粒径为5
±
0.2mm左右的水热碳化污泥颗粒，再经900℃氮气氛下热处理2h后得到污泥基碳颗粒。将污泥基碳颗粒浸渍在含等摩尔的硝酸铁和柠檬酸以及醋酸锰溶液中，其中硝酸铁和醋酸锰的摩尔比为1：1，其铁盐和锰盐总质量为干污泥质量的60wt％，然后放入40℃恒温摇床内震摇直至溶液完全蒸干，取出后置于马弗炉中400℃热处理4h后得到污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料。
[0023]参阅图1，常温常压下，200mL单室双电极体系中，将制备的污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料作为颗粒电极，其用量占反应器体积的2/3，150mL TOC为200mol...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能化污泥基碳三维颗粒的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：将经80℃烘干的市政剩余污泥干粉配制成浓度为5～20wt％的溶液，用HCl调节pH值至1～3后转入反应釜中进行水热碳化处理，冷却后过滤，洗涤水热污泥至中性后于80℃下烘干；将干燥后的水热污泥粉碎并过80目筛，按泥水质量比3：2的比例逐渐加水并搅拌均匀后填入磨具中，冷冻干燥后得到粒径为5
±
0.2mm的水热碳化污泥颗粒；步骤2：将获得的水热碳化污泥颗粒于氮气氛围中热处理，得到污泥基碳颗粒；再将污泥基碳颗粒浸渍于含有铁盐和锰盐的盐溶液中，置于40℃恒温摇床内震摇至溶液完全蒸干，取出后置于马弗炉中，于400℃下热处理，得到污泥碳载铁锰双金属氧化物复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述水热碳化是于160～220℃下水热碳化处理8～24h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，将获得的水热碳化污泥颗粒于900℃氮气氛围下热处理2h，得到污泥基碳颗粒。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述铁盐为硝酸铁，所述锰盐为醋酸锰、硝酸锰、氯化锰或硫酸锰中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙敏，王宪章，翟林峰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：