一种碳纳米管改性污泥炭材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管改性污泥炭材料的制备方法及其在污染物吸附中的应用，属于炭材料制备技术领域。该污泥炭材料的制备方法是将脱水市政污泥使用磷酸处理后进行热解，获得污泥基活性炭，再将污泥基活性炭、铁基催化剂以及聚丙烯塑料混合作为原料，在惰性气氛下，使用一段式管式炉反应器对混合物进行催化热解，获得具有碳纳米管改性的污泥炭。本发明专利技术制备的碳纳米管改性的污泥炭对包括亚甲基蓝溶液以及沼液中的有机污染物等在内的污染物具有一定吸附作用。本发明专利技术在处理与利用市政污泥与塑料废弃物的基础上，获得了具有使用价值的碳纳米管改性污泥炭材料，其成本较低，方法简单，有利于大范围推广。有利于大范围推广。有利于大范围推广。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管改性污泥炭材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种制备碳纳米管改性污泥炭的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着城市规模扩大，污水处理厂副产物市政污泥产量逐年增加。同时随着居民生活水平的提升，塑料消耗量逐年增加，废弃塑料的年产量居高不下。市政污泥与塑料废弃物作为我国两种主要的固体废弃物，传统处置方法往往将其进行焚烧与填埋处理。但焚烧方法碳排放较高，填埋处理存在浪费土地资源等诸多弊端。因此需使用一种更为环保的方法完成固体废弃物的处置。近年来，热解技术凭借其较低的污染物排放水平与较高的产物回收能力获得更多的关注，成为一种新兴的固废处置方式。
[0003]市政污泥有机质含量高，产炭率高，可经热解制得具有多功能用途的污泥基生物炭材料。然而目前研究发现，污泥基生物炭比表面积与孔隙结构较差，利用其作为污染物吸附剂和催化剂载体的潜力较低。磷酸活化与碳纳米管为主的碳纳米材料改性皆可以改善生物炭的物理化学性能，是目前学界使用较多的改性方法。经活化与碳纳米管改性后，一方面可以解决碳纳米管单独使用易团聚的问题，另一方面也可令污泥炭可获得更佳的比表面积与孔隙结构，达到更高的吸附水平。
[0004]目前使用碳纳米管改性污泥炭对污染物吸附的相关研究与应用较少，亚甲基蓝染料与沼液作为吸附研究领域极具代表性的污染物，其研究价值较大。亚甲基蓝是一种广泛应用于织物、纸张、细菌组织染色等领域的噻嗪类染料，其染料废水色纯度高，有机污染物浓度大；而沼液作为厌氧消化的产物，其成分复杂，处置难度大，需对其中COD、氨氮等污染物进行净化处置。
[0005]受限于碳纳米材料复杂的制备工艺，商用碳纳米管目前仍是一种昂贵材料。目前公开的专利技术专利中碳纳米管改性炭材料一般使用商用碳纳米管浸渍炭材料制备而成，其成本较高，难以大范围推广。近年来，有研究发现使用聚丙烯等塑料聚合物在高温下发生裂解，令其产生的小分子气态烃类经过一定催化反应后可制备碳纳米管，这一发现令碳纳米管的低成本制备成为了可能。例如，专利申请CN107934938A公开了一种二段法催化裂解废弃塑料制备碳纳米管的方法，利用PE(聚乙烯)废弃塑料，在铁基催化剂作用下热解，制备得到碳纳米管。

技术实现思路

[0006]基于以上现有技术的不足，本专利技术利用污泥基活性炭与铁基催化剂对塑料在高温下进行催化热解，制备出碳纳米管改性的污泥炭材料，并将其应用在亚甲基蓝与沼液吸附净化领域，探究碳纳米管改性污泥炭的污染物吸附水平。此制备方法不仅以极低成本获取了碳纳米管改性污泥炭，解决了碳纳米管易团聚的问题，同时显著提升了污泥炭对污染物的吸附能力，从而完成本专利技术。
[0007]因此，在一个方面，本专利技术提供一种碳纳米管改性污泥炭材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)污泥预处理：将污泥颗粒、85％磷酸溶液、去离子水振动搅拌，控制污泥颗粒、85％磷酸溶液、去离子水的质量比为1:1:30，搅拌后置于烘箱中进行烘干，得到混合物；
[0009](2)污泥活性炭的制备：将步骤(1)得到的所述混合物置于管式炉内，控制惰性气体流量为200ml/min，管式炉的反应温度为800～1000℃，反应2小时，待炉内温度降至室温后，对产物进行冲洗与烘干，得到污泥活性炭；
[0010](3)混合与烘烤：将步骤(2)处理得到的所述污泥活性炭与铁基催化剂和聚丙烯塑料混合，控制污泥活性炭、铁剂催化剂与聚丙烯塑料的质量比为1:0.0075～0.1:2～10，将混合物置于烘箱中，控制烘箱的烘烤温度为180℃，时间为20分钟；
[0011](4)催化热解：将步骤(3)处理得到的混合物置于管式炉内，控制惰性气体流量为90mL/min，管式炉的反应温度为800～1000℃，反应时间为2小时，待管式炉冷却至室温后，取出产物，得到表面负载有碳纳米管的污泥炭，即为碳纳米管改性污泥炭材料。
[0012]进一步地，所述惰性气体为氮气或氩气中的一种。
[0013]更进一步地，所述步骤(2)中，所述管式炉为一段式管式炉。
[0014]更进一步地，所述步骤(2)中，所述管式炉反应温度为850℃。
[0015]更进一步地，所述步骤(2)中，所述管式炉的升温速率为40～50℃/min，更优选40℃/min。
[0016]更进一步地，所述步骤(3)中，所述铁基催化剂为硝酸铁或三氧化二铁中的一种。
[0017]更进一步地，所述三氧化二铁的粒径为30～40nm。
[0018]更进一步地，所述步骤(3)中，混合之前，对污泥活性炭与聚丙烯塑料进行粉碎处理，经粉粹后粒度小于0.25mm。
[0019]更进一步地，所述步骤(3)中，控制污泥活性炭、铁剂催化剂与聚丙烯塑料的质量比为1:0.1:10。
[0020]更进一步地，所述步骤(4)中，所述管式炉的反应温度为800℃。
[0021]更进一步地，所述步骤(4)中，所述管式炉的升温速率为5～15℃/min，更优选10℃/min。
[0022]在另一个方面，本专利技术提供了由上述制备方法获得的碳纳米管改性污泥炭材料。
[0023]更进一步地，直径约30nm，长度约500nm的所述碳纳米管分散地生长在所述污泥活性炭表面。
[0024]在又一个方面，本专利技术提供了所述碳纳米管改性污泥炭材料在污染物吸附中的应用。
[0025]进一步地，在所述应用中，直接将本专利技术的碳纳米管改性污泥炭材料与污染物在室温下混合。
[0026]进一步地，所述污染物是亚甲基蓝。
[0027]更进一步地，将所述碳纳米管改性污泥炭材料投入到亚甲基蓝溶液中进行吸附，当亚甲基蓝溶液浓度为1000mg/L时，所述碳纳米管改性污泥炭材料在25℃下吸附容量为37.33mg/g。
[0028]进一步地，所述污染物是沼液，例如，所述沼液可以是餐厨垃圾与活性污泥以挥发
性固体含量比例1:1所混合的发酵液经固液分离后的液相部分。
[0029]更进一步地，将所述碳纳米管改性污泥炭材料投入到所述沼液中，本专利技术的碳纳米管改性污泥炭材料投加量为1～2g/L，所述碳纳米管改性污泥炭材料在25℃下对沼液中氨氮、COD的吸附容量分别为32.19mg/g与6.47mg/g。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下有益效果：
[0031](1)本专利技术的制备方法在一段式管式炉中进行，经过反应最后得到碳纳米管改性污泥炭材料；相较于两段式管式炉(其塑料热解和催化区段分离)，不仅装置简单，只需控制工艺温度，同时，制备所得碳纳米管均匀分散在炭材料表面，不存在团聚问题；同时由于碳纳米管来源于塑料的热解，其制备成本更低。
[0032](2)本专利技术的碳纳米管改性污泥炭(CNTAC)对亚甲基蓝具有较高的吸附能力，25℃下吸附容量达37.33mg/g，相较污泥活性炭AC增加55.88％。
[0033](3)本专利技术的CNTAC对沼液中氨氮、COD具有较好本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管改性污泥炭材料的制备方法，包括如下步骤：(1)污泥预处理：将污泥颗粒、85％磷酸溶液、去离子水振动搅拌，控制污泥颗粒、85％磷酸溶液、去离子水的质量比为1:1:30，搅拌后置于烘箱中进行烘干，得到混合物；(2)污泥活性炭的制备：将步骤(1)得到的所述混合物置于管式炉内，控制惰性气体流量为200ml/min，管式炉的反应温度为800～1000℃，反应2小时，待炉内温度降至室温后，对产物进行冲洗与烘干，得到污泥活性炭；(3)混合与烘烤：将步骤(2)处理得到的所述污泥活性炭与铁基催化剂和聚丙烯塑料混合，控制污泥活性炭、铁剂催化剂与聚丙烯塑料的质量比为1:0.0075～0.1:2～10，将混合物置于烘箱中，控制烘箱的烘烤温度为180℃，时间为20分钟；(4)催化热解：将步骤(3)处理得到的混合物置于管式炉内，控制惰性气体流量为90mL/min，管式炉的反应温度为800～1000℃，反应时间为2小时，待管式炉冷却至室温后，取出产物，得到表面负载有碳纳米管的污泥炭，即为碳纳米管改性污泥炭材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气中的一种。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述管式炉为一段式管式炉，优选地，所述管式炉反应温度为850℃，更优选地，所述管式炉的升温速率为40～50℃/min，更优选40℃/min...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景新，胡兆岩，何义亮，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：