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今天說下汙泥製備活性炭日常的應用

發布日期:2018-09-12 00:00 來源:http://www.ghs71.com 點擊:

    今天說下汙泥製備活性炭日常的應用,傳統的汙泥處理方式主要有焚燒、填埋、堆肥和深海處理,但是這些處理方式都有其不足的地方。比如,汙泥焚燒成本高、能耗高、汙染高,而汙泥填埋過程中汙染大、資源回收率低,汙泥堆肥雖然可以實現資源回收和廢物處理,但是安全性受到質疑。

      在上個世紀70年代有人提出了汙泥製備活性炭,可有效回收資源,實現廢物的資源化,同時,可以避免傳染病原體的傳播和固定汙泥中的重金屬,達到防止汙染水體和土壤等的目的。汙泥基活性炭的孔隙分布,可通過控製製備條件來實現,化學活化法和物理活化方式,活化劑種類和濃度,熱解或者活化溫度,浸漬固液比和熱解或者活化順序等因素。同時,活化劑也是影響汙泥基活性炭表麵官能團的重要因素。

      1 化學活化製備活性炭

      化學活化是指利用化學藥劑對汙泥浸漬後,在高溫下煆燒,通過加熱狀態下化學藥劑對原料中的碳的氧化引起碳原子的脫除,從而在原料中產生大量孔隙,製備活性炭。目前常用的活化劑分為酸性(硫酸、磷酸和硼酸等)、堿性(氫氧化鉀和氫氧化鈉等)和鹽(氯化鋅、碳酸鉀、硫酸鉀和硫化鉀等)。通常認為活化劑活化機製有兩種:第一,活化劑在對汙泥浸泡時起潤漲作用,有利於汙泥熱解時進行造孔及增大比表麵積。第二,汙泥熱解時活化劑通過縮聚反應或交聯反應等幫助汙泥脫除結構單元的側鏈和含氧官能團的分解從而實現造孔。

     1.1 活化劑濃度

      活化劑濃度是影響汙泥基活性炭吸附性能的一個重要因素。當濃度過低時,汙泥活化不夠充分;隨著活化劑濃度繼續升高,汙泥與活化劑充分反應。但濃度過高時,容易造成重金屬或其他元素的富集、活性炭造孔過度,微孔向中孔和大孔擴散引起比表麵積降低等問題。較多的文獻指出,表麵活化劑的濃度一般控製在3mol/L或者40%附近,可獲得吸附性能相對較高的汙泥基活性炭。

      1.2 液固比

      活化劑和汙泥的比值(液固比)也是影響汙泥製備活性炭孔隙結構和比表麵積的重要因素[17]。液固比過低時,反應活化劑的劑量較低,產生孔道較少,導致吸附能力低;當液固比增大,造孔能力隨之增大,吸附能力也就增大;但當液固比進一步增大時,造孔作用達到最大,過多的活化劑容易導致孔道崩塌或堵塞,使吸附能力下降。眾多文獻選擇的液固比一般為1:1~3:1。

      1.3 活化溫度

活化溫度是影響汙泥基活性炭的重要因素。活化溫度不僅對汙泥起作用也對活化劑有著重要作用。尤其是某些活化能較高的活化劑,控製活化溫度成為一個製備高比表麵,高吸附能力活性炭的重要條件。溫度過低,不足以提供活化劑足夠的活化能,多數物質不能與活化劑反應;隨之溫度升高,反應也相對應的加強,活化劑得以更多地參與反應,使汙泥活性炭的吸附能力增強;但溫度過高,容易將汙泥孔隙擊穿,孔道擴大,吸附能力下降。化學活化法的熱解溫度,更多地取決於活化劑的活化能。眾多文獻表明,表麵化學活化法的熱解溫度相對較高,可達到600~800℃℃。

      2 汙泥基活性炭的應用

      目前,汙泥活性炭還未完全達到商業活性炭的性能,同時也存在著二次汙染的潛在風險。但是其巨大的環境效益仍使其具有繼續研究的價值。並且,用在以廢治廢時,其經濟效益也可得以最大限度的實現。汙泥基活性炭的應用研究很多,如對垃圾滲濾液的處理、對生活汙水的處理、重金屬的去除以及大氣汙染物質的吸附等方麵。活性炭對汙染物的去除能力受到溶液pH、濃度、吸附劑劑量以及吸附時間等因素的影響,而目前關於活性炭孔隙分布與吸附劑分子大小的研究的論文相對較少。僅有Lee S-Y研究了活性炭對二氧化碳吸附的最適合孔徑,表明其最適孔徑在0.5~0.7nm之間。

      其他研究見表1,何瑩等人利用汙泥製備活性炭對垃圾滲濾液進行處理,Raziya Nadeem等人研究了汙泥基活性炭對Pb2+的吸附影響因素,包括pH、濃度、吸附劑劑量等。F. Di Natale等人研究表明汞的吸附,很大程度上取決於汞的形態和價態,而水溶液的pH是影響其價態和形態的因素之一。Qiu M僅僅考察了活性炭對汙染物去除的吸附動力學,未對活性炭的比表麵積、孔隙結構和表麵官能團進行研究。

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      研究發現汙泥基活性炭對汙染物的去除機理主要包括:通過物理吸附、截留作用以及催化氧化能有效地去除分子較大的物質,如重金屬離子;通過催化還原能有效地去除氧化性強的物質,如汞、菲和芘,在酸性條件下還能有效地將六價鉻還原為三價鉻;通過活性炭表麵上特殊基團對汙染物的螯合以及活性炭中解離於水中的特殊基團與汙染物形成難溶物質或形成絡合離子並被活性炭吸附等途徑,如含硫基團對汞離子的去除;通過汙泥基活性炭表麵的堿性氧化物基團去除溶液中的酸性物質,其作用包括離子交換和絡合吸附等。

綜上所述,對於汙泥基活性炭對汙染物的去除機理是多種多樣的, 因此,對於汙泥基活性炭的應用,在考慮其安全性的同時,要根據其孔隙結構,比表麵積和官能團種類來確定。反過來,也可在確定其應用的情況下,選擇合適的製備方法和工藝條件,獲得特殊的孔隙分布和某些特殊的官能團,使其有效去除汙染物。同時,降低工藝成本。

      3物理活化製備活性炭

      當前,研究熱解或者物理活化法製備汙泥活性炭的文章較少。很多文獻強調汙泥基活性炭的孔大小及其分布對汙泥基活性炭的吸附能力的影響。然而有些文獻僅僅是報道了比表麵積,沒有深入研究活性炭的孔隙結構。Lu綜合了活性炭不同孔結構,通過活性炭對汞的吸附,指出比表麵積不是影響其吸附能力的重要因素。同時,Lee 和 Park的研究表明微孔的存在對目標吸附質具有高的吸附能。獲得高比表麵積和發達的孔隙結構的汙泥基活性炭主要取決於熱解溫度和停留時間等因素。

      3.1 熱解溫度

      熱解溫度是影響采用物理活化汙泥製備活性炭的重要因素。當熱解溫度過低,汙泥基活性炭活化不充分,汙泥中很多物質不能參與反應或者揮發,使汙泥活性炭難以形成足夠的孔道,其比表麵積過低,吸附能力不高。隨著溫度升高,更多的物質參與反應或揮發,形成大部分孔道,吸附能力升高。但溫度繼續升高,容易造成孔道塌陷,吸附能力下降。根據眾多文獻報道物理活化法的熱解溫度在500~600℃℃可獲得吸附能力較高的活性炭。熱解溫度的升高也會使活性炭的產率下降。

      3.2 停留時間

      停留時間對汙泥基活性炭具有相當大的影響。在較長的一個停留時間,更多的熱量進入爐體內,會使水分蒸發,使更多的焦油分子化,更多的物質得以從碳中揮發,最終導致氣體產量增加。然而,過長的停留時間會導致活性炭孔道崩塌,吸附能力下降。停留時間增長,也會使能耗增加,造成製備成本增多。因此,優化停留時間有助於獲得較高品質的汙泥基活性炭。大多數文獻指出,表麵停留時間控製在1~2h為宜。

      所以,汙泥基活性炭對汙染物的處理機製是多樣化的,汙泥基活性炭在應用中考慮到了安全性,選擇合適的製備方法和工藝條件,能夠有效出去汙染物,降低成本,實現最佳處理方式。

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