一种改性污泥质生物炭的制法及所得生物炭与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种改性污泥质生物炭的制法及所得生物炭与应用，以废弃市政污泥为原料，将其烘干、粉碎、过筛，得粉末状材料；在碱性环境下与氯化镁和氯化钙溶液混合振荡，60℃浸渍12h，制得改性污泥粉末；最后将粉末置于管式炉中并于惰性气氛下高温热解，得到改性污泥质生物炭除磷吸附剂。改性污泥质生物炭在浓度为50mg/L的含磷废水中除磷时，其对磷酸盐的吸附容量为27.27mg/g，约是同等条件下未改性污泥生物炭的3.3倍。通过模型计算，改性污泥质生物炭对磷酸盐的最大吸附容量可达192.6mg/g。本发明专利技术制备的改性污泥质生物炭除磷吸附剂性能稳定，实现了废旧资源的再利用，为吸附净化含磷废水提供了一种环境友好、吸附性能优越的生物炭材料。物炭材料。物炭材料。

【技术实现步骤摘要】
一种改性污泥质生物炭的制法及所得生物炭与应用


[0001]本专利技术属改性吸附剂材料制备，具体涉及一种改性污泥质生物炭及制备方法与作为除磷吸附剂的应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着工农业活动的迅速发展，大量氮磷营养元素排入水体，导致水体富营养化、赤潮、黑臭水体等诸多环境问题的产生。已有研究表明减少磷的排放是控制富营养化问题的重要举措，磷元素是主要的限制因子。目前，主要的除磷方法包括化学沉淀法、生物法、人工湿地法和吸附法等，其中吸附法具有设备占地面积小、工艺简单、无二次污染、且可以进行磷资源回收等优点，因此受到广泛关注。
[0003]与此同时，剩余污泥作为污水处理厂产生的固体废物，一方面面临着产量高、成分复杂、处理难度大等问题；另一方面，污泥中含有大量的有机物和磷，直接处理不利于资源的回收再利用。而污泥碳化技术是目前新兴的一种污泥处理技术，有研究发现碳化过程污泥的有机质会碳化、造孔和结构蓬松，使得剩余污泥作为生物炭的制备原料成为可能。因此，利用以剩余污泥为原料制备生物炭不仅能实现污泥“减量化、稳定化和无害化”处理，还能解决吸附剂原材料成本过高的问题，达到以废治废的目的。
[0004]现有技术中，使用复合金属制备生物炭材料用于磷酸盐去除方面仍鲜有发现，Jiang等人在Environmental Science and Pollution Research,26(18):18343
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18353期刊中发表的“Phosphate adsorption from wastewater using ZnAl
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LDO
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loaded modified banana straw biochar”一文中，通过Mg
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Al改性大豆秸秆制得对磷酸盐的生物炭吸附材料，其对磷酸盐的吸附时未改性生物炭的21倍，但释放的ZnAl不易处理，难以推广使用；申请公布号为CN1110013888A的专利公开了一种竹基生物炭除磷吸附剂的制备方法及其应用，将竹子粉碎成竹屑，然后加入乙酸溶液浸泡，并与海水充分混合，制得改性Mg
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Ca生物炭，对磷酸盐的最大吸附容量为47.2mg/g，但从推广前景方面来说并不大；申请公布号为CN108525638A的专利公开了一种生物质炭纤维/层状双金属氢氧化物吸附除磷材料，首先将生物质在碱性环境中浸渍5h后洗至中性烘干，然后将样品分散在次氯酸钠溶液中进行漂白3～5h，置于管式炉中热解2～6h，最后在水和二甲砜混合液中超声，加入铝盐和铜盐溶液中水热反应10～12h，整个过程工艺复杂，改性添加剂用量大，成本高。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的第一目的在于提供一种利用废弃污泥结合钙镁氧化物来制备生物炭的方法；本专利技术的第二目的在于提供一种通过上述方法制备的生物炭；本专利技术的第三目的在于提供上述生物炭作为吸附剂在含磷黑臭水体中除磷的应用。
[0006]技术方案：本专利技术的一种改性污泥质生物炭的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)取剩余污泥，干燥、粉碎、过筛后得到污泥粉末；
[0008](2)取氯化镁和氯化钙配置成混合溶液，将步骤(1)得到的污泥粉末加入混合溶液
中，然后于恒温搅拌，再加入碱性溶液，水浴振荡浸渍后，水洗、干燥，得到一次改性污泥粉末；
[0009](3)将一次改性污泥粉末放入管式炉中高温热解，得到改性污泥质生物炭粉末，接着将改性污泥质生物炭粉末用去离子水洗至中性，再真空干燥，研磨过筛，得目标产物。
[0010]进一步的，所述步骤(2)中，每15～25mL的混合溶液中添加1g的污泥粉末；其中，混合溶液中，氯化镁与氯化钙的摩尔比为1：(1～3)。
[0011]进一步的，所述步骤(2)中，恒温搅拌的温度为50～60℃，搅拌时间为30～60min。
[0012]进一步的，所述步骤(2)中，碱性溶液控制pH为10～11。
[0013]进一步的，所述步骤(3)中，高温热解的温度为400～800℃，热解时间为90～150min，管式炉的升温速率为10℃/min。
[0014]进一步的，所述步骤(3)中，真空干燥温度为65～80℃，干燥时间为1～2h。
[0015]本专利技术还保护一种改性污泥质生物炭以及所述的改性污泥质生物炭在含磷废水中作为除磷吸附剂的应用。
[0016]进一步的，具体吸附过程为：将改性污泥质生物炭投加于含磷废水中，调节溶液pH，于恒温振荡器中振荡。改性污泥质生物炭的投加量为1.6～2.4g/L，调节溶液pH为2～4，振荡速率为150～180r/min，时间为50～240min。
[0017]本专利技术的机理为：Mg、Ca等金属改性生物炭通过负载在生物炭表面的金属氧化物，克服生物炭表面负电性的缺点，可以与磷酸盐形成单核、双核和三核配合物，并通过弱化学键沉积到生物炭表面，大大提高对磷酸盐的吸附性能；污泥经过高温煅烧后会形成多孔的生物炭，具有高比表面积，对磷酸盐的物理吸附性能较好；在污泥浸渍在钙盐和镁盐溶液中，通过普通干燥和高温煅烧将钙离子和镁离子转化为CaO和MgO，使改性生物炭通过金属离子的活性位点与废水中磷酸阴离子发生化学反应，生成Ca3(PO4)2、CaHPO4和Mg3(PO4)2等稳定化合物，进而提高生物炭材料对磷酸盐的吸附能力。
[0018]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的具有如下显著优点：本专利技术制备的改性污泥质生物炭，采用废弃的市政剩余污泥为生物质，原料来源丰富，价格低廉，制备成本较低；本专利技术采用负载双金属的方式对生物炭进行改性，通过耦合两种金属离子的吸附性能的方法，提高反应速率和吸附容量；经过实验验证，改性污泥质生物炭在浓度为50mg/L的含磷废水中除磷时，其对磷酸盐的吸附容量为27.27mg/g，约是同等条件下未改性污泥生物炭的3.3倍，通过模型论证，改性污泥质生物炭对磷酸盐的最大吸附容量可达192.6mg/g。
附图说明
[0019]图1为实施例13中改性前的污泥质生物炭粉末与改性后的污泥质生物炭粉末对废水中磷酸盐吸附容量的比较变化图；
[0020]图2为实施例13制得的改性污泥质生物炭吸附剂对废水中磷酸盐受pH值影响图；
[0021]图3为实施例13制得的改性污泥质生物炭吸附剂的投加量对其吸附磷酸盐的影响图；
[0022]图4为实施例14中未改性污泥质生物炭与改性后的污泥质生物炭吸附剂对废水中磷酸盐受吸附时间影响图；
[0023]图5为实施例13制得的改性污泥质生物炭吸附剂对磷酸盐吸附受初始磷酸盐浓度
的影响图；
[0024]图6为实施例14所制得的未改性污泥质生物炭粉末的扫描电镜表征图，放大倍数为40000倍；
[0025]图7为实施例13所制得的改性污泥质生物炭粉末的扫描电镜表征图，放大倍数为40000倍；
[0026]图8为实施例13所制得的改性污泥质生物炭粉末吸附磷酸盐后的扫描电镜表征图，放大倍数为40本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性污泥质生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）取剩余污泥，干燥、粉碎、过筛后得到污泥粉末；（2）取氯化镁和氯化钙配置成混合溶液，将步骤（1）得到的污泥粉末加入混合溶液中，然后于恒温搅拌，再加入碱性溶液，水浴振荡浸渍后，水洗、干燥，得到一次改性污泥粉末；（3）将一次改性污泥粉末放入管式炉中高温热解，得到改性污泥质生物炭粉末，接着将改性污泥质生物炭粉末用去离子水洗至中性，再真空干燥，研磨过筛，得目标产物。2.根据权利要求1所述的改性污泥质生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，每15~25mL的混合溶液中添加1g的污泥粉末；其中，混合溶液中，氯化镁与氯化钙的摩尔比为1：(1~3)。3.根据权利要求1所述的改性污泥质生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，恒温搅拌的温度为50~60℃，搅拌时间为30~60min。4.根据权利要求1所述的改性污泥质生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方芳，张佳玲，谭露，罗景阳，冯骞，操家顺，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：