一种生物质炭及其制备方法、重金属吸附剂技术

一种生物质炭及其制备方法、重金属吸附剂，属于水处理技术领域，克服现有技术中污泥炭化工艺需要进行预脱水处理、能耗高，且制得的生物质炭吸附性能差、重金属富集程度高的缺陷。本发明专利技术生物质炭的制备方法，包括以下步骤：步骤1、以质量份计，将30～45份污泥、5～20份秸秆粉末和40～60份水混合，超声处理，得混合物；步骤2、将所述混合物进行水热碳化反应，得到水热炭；步骤3、将水热炭进行活化。本发明专利技术制备方法无需进行预脱水处理、能耗低，且制得的生物质炭自身重金属富集程度低，且对水中重金属的吸附性能有明显提升。吸附性能有明显提升。吸附性能有明显提升。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质炭及其制备方法、重金属吸附剂


[0001]本专利技术属于水处理
，具体涉及一种生物质炭及其制备方法、重金属吸附剂。

技术介绍

[0002]城市污泥是污水生物处理过程中一种不可避免的副产物，主要由一些微生物菌胶团及其吸附的有机物和无机物等组成。城市污泥作为一种产量巨大的高含水率废弃生物质，污泥的安全妥善处置和资源化利用迫在眉睫。
[0003]生物质炭是一种典型的生物吸附剂，可用于吸附去除水中重金属等污染物。生物质炭化能降低生物质中氢、氧含量，将生物质转化为具有附加值的炭化物。
[0004]生物质炭化可实现城市污泥的资源化利用，但由于城市污泥的含水率高，而后续的炭化处置又要求含水率保持在较低水平，因此降低含水率是废弃生物质资源化利用的难点与瓶颈。城市污水污泥目前普遍采用机械脱水方法，往往需添加大量的脱水剂(如聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、生物絮凝剂、石灰等)将污泥含水率降低至80％以下，而传统的干法炭化(裂解炭化)需要将生物质含水率降低至20％以下，通常需要进一步干化后再慢速加热到350
‑
700℃并停留数小时到数天，能耗、物耗高，碳排放水平高。现行的污泥炭化工艺往往以污泥作为单一原料，一方面由于污泥中木质素、纤维素含量较低，灰分含量高，炭产率并不高，炭产物吸附性能较差；另一方面污泥炭化后重金属富集程度提高，可能存在一定环境风险。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中污泥炭化工艺需要进行预脱水处理、能耗高，且制得的生物质炭吸附性能差、重金属富集程度高的缺陷，从而提供一种生物质炭及其制备方法、重金属吸附剂。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种生物质炭的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、以质量份计，将30～45份污泥、5～20份秸秆粉末和40～60份水混合，超声处理，得混合物；
[0009]步骤2、将所述混合物进行水热碳化反应，得到水热炭；
[0010]步骤3、将水热炭进行活化。
[0011]优选地，步骤1中，污泥+秸秆粉末的质量之和与水的质量比为1:1。
[0012]进一步的，所述超声处理的频率为20～28kHz，声能密度为0.1～0.3W/mL；所述超声处理采用间歇处理的方式，每运行1～3min暂停30s～1min，累计运行时间为4～8min。
[0013]进一步的，步骤2中，进行水热碳化反应前添加所述混合物质量1～3％的催化剂，优选地，所述催化剂为无机酸，更优选为硫酸或硝酸。
[0014]进一步的，所述步骤2满足以下条件中的至少一项：
[0015](1)所述水热碳化反应的温度为180～240℃，反应时间为1～3h；
[0016](2)所述水热碳化反应过程中进行搅拌，优选地，所述搅拌转速为200～500rpm；
[0017](3)所述水热碳化反应的升温速率为4～8℃/min。
[0018]进一步的，所述步骤3包括：采用碱液浸渍法对水热炭进行活化。
[0019]进一步的，所述步骤3满足以下条件中的至少一项：
[0020](1)所述碱液为KOH溶液、NaOH溶液或K2CO3溶液；
[0021](2)所述水热炭在碱液中的投加量为4～8g/L；
[0022](3)所述碱液的质量浓度为10～20％；
[0023](4)所述活化的条件为室温反应1～2h。
[0024]进一步的，所述污泥的含水率为80wt％～90wt％，pH＝6～8，有机质占污泥干基质量的30wt％～50wt％。
[0025]进一步的，所述秸秆满足以下条件中的至少一项：
[0026](1)所述秸秆粉末粒径<0.85mm；
[0027](2)所述秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆、麦秸或豆秸。
[0028]第二方面，本专利技术提供了一种根据上述制备方法制得的生物质炭。
[0029]第三方面，本专利技术提供了一种重金属吸附剂，包括上述生物质炭。
[0030]所述重金属吸附剂可用于吸附水中的重金属。
[0031]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0032]1.本专利技术生物质炭的制备方法包括以下步骤：步骤1、以质量份计，将30～45份污泥、5～20份秸秆粉末和40～60份水混合，超声处理，得混合物；步骤2、将步骤1的混合物进行水热碳化反应，得到水热炭；步骤3、将水热炭进行活化。
[0033]本专利技术采用污泥和秸秆粉末共同制备生物质炭，秸秆中富含丰富的木质素、纤维素、半纤维素，且重金属含量很低，通过合理复配二者比例可以有效弥补污泥的不足，提高炭产率，有效降低炭产物的重金属浓度，且能提高秸秆的资源化利用率。同时，污泥本身具有胶体特性也有利于秸秆炭化成型，增大炭产物的比表面积，提高吸附性能。
[0034]本专利技术通过优化复配污泥和秸秆的配比，不仅可以实现污泥与秸秆的稳定化、无害化处置，同时有效固定了碳源，生成的炭化物表面含有丰富的含氧、含氮官能团(如
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COO，
‑
C
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N和N
‑
C
‑
O
‑
)，可通过离子交换作用吸附重金属离子，实现水热炭的资源化利用。
[0035]本专利技术采用水热碳化技术，反应媒介为水，因此在处理含水量高的废弃生物质时无需干燥，与高含水率的污泥、秸秆相性良好，省去了高能耗的脱水步骤，节约了大量的预处理费用。
[0036]本专利技术反应条件温和、反应时间缩短。传统的干法炭化(裂解炭化)需要将生物质慢速加热到350
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700℃并停留数小时到数天，本专利技术预先采用超声波破解污泥，依靠超声波的空化作用使气泡破灭产生水力剪切力和自由基反应引起细胞分解，一方面有利于生物质发生脱水、脱羧反应，使后续水热碳化反应体系内单体反应物浓度快速增加，促使聚合反应更早开始，缩短反应时间，增加固相产率；另一方面，超声处理过程中体系升温，为后续水热碳化反应提供了部分能量，使得本工艺相比其他方法更加高效、低碳、节能。
[0037]本专利技术生物炭的制备方法原料广泛、成本低廉、操作简便、处理效果好，同步实现污泥和秸秆的协同处理与资源化利用，具有污染防治和碳减排的双重效益，环境友好，炭产
物资源化产品价值高。将城市污泥
‑
秸秆水热炭制备重金属吸附剂既实现了固废的无害化处理和资源化利用，又解决了水体中存在的重金属污染问题，达到“以废治污”的效果。
[0038]2.本专利技术超声处理的频率为20～28kHz，声能密度为0.1～0.3W/mL；所述超声处理采用间歇处理的方式，每运行1～3min暂停30s～1min，累计运行时间为4～8min。
[0039]超声波可以有效破坏污泥中微生物的菌胶团絮体结构，促进内部结合水转移到污泥絮体外部成为易于脱除的自由水，而连续长时间的超声处理，会使得污泥絮体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、以质量份计，将30～45份污泥、5～20份秸秆粉末和40～60份水混合，超声处理，得混合物；步骤2、将所述混合物进行水热碳化反应，得到水热炭；步骤3、将水热炭进行活化。2.根据权利要求1所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述超声处理的频率为20～28kHz，声能密度为0.1～0.3W/mL；所述超声处理采用间歇处理的方式，每运行1～3min暂停30s～1min，累计运行时间为4～8min。3.根据权利要求1或2所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，步骤2中，进行水热碳化反应前添加所述混合物质量1～3％的催化剂，优选地，所述催化剂为无机酸，更优选为硫酸或硝酸。4.根据权利要求1
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3任一项所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2满足以下条件中的至少一项：(1)所述水热碳化反应的温度为180～240℃，反应时间为1～3h；(2)所述水热碳化反应过程中进行搅拌，优选地，所述搅拌转速为200～500rpm；(3)所述水热碳化反应的升温速率为4～8℃/min。5.根据权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：王航，陈祥，王先恺，乔雪园，李锟，刘枫，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：