技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于廢棄物處理及資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用污泥制備污泥碳基材料的方法。

背景技術(shù)：
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隨著城市化的發(fā)展和社會環(huán)保水平的提高，城市污水污泥的產(chǎn)量逐年增加。污泥成分較為復(fù)雜，是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體。同時(shí)污泥是一種富碳廢棄物，可作為制備碳材料的原料，而且碳化工藝簡單，污泥炭材料制備和應(yīng)用倍受青睞，已成污泥資源化利用的研究熱點(diǎn)。污泥熱解可以制備含碳材料，并可以減小固體體積，同時(shí)增強(qiáng)存在于炭基中的重金屬對自然析出的抵抗力。而且熱解產(chǎn)生的不凝氣體和熱解油有很高的熱值，這能成為潛在的燃料。熱解法所使用的溫度低于焚燒法，因此進(jìn)入熱解氣體中污染物也較少。

中國專利cn102786967a公開了一種利用污泥制備生物碳的方法，其以污泥為原料，將污泥放置于密閉反應(yīng)器內(nèi)，在高溫、無氧條件下，污泥經(jīng)高溫?zé)峤庖欢〞r(shí)間后，制成生物碳。采用此法制備的生物碳，使污泥中含有較高濃度的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽得到回收，使污泥在減量化的同時(shí)進(jìn)行資源化利用。中國專利zl201410170177.6公開了一種污泥基活性炭及其生產(chǎn)方法和在電鍍含鉻廢水中的應(yīng)用，污泥經(jīng)干燥、活化、微波處理、洗滌、烘干步驟后制備而成，可在電鍍含鉻廢水處理中，污泥活性炭用作吸附劑。中國專利zl201310112617.8公開了一種污泥高溫碳化系統(tǒng)及碳化工藝，其包括以下步驟：1)將脫水污泥輸送至脫水污泥干燥機(jī)中；2)碳化加熱爐供給加熱氣體將污泥含水率降到30％，從脫水污泥干燥機(jī)排出的加熱氣體經(jīng)過處理后進(jìn)入碳化加熱爐燃燒脫臭；3)干化污泥輸送至污泥碳化爐中經(jīng)過600℃～800℃的高溫、缺氧處理，形成穩(wěn)定的碳化產(chǎn)物，污泥碳化爐中碳化所產(chǎn)生的干餾氣體輸出至碳化加熱爐進(jìn)行燃燒脫臭。

上述專利均涉及將污泥在無氧/缺氧條件下通過加熱方式轉(zhuǎn)化為污泥碳、活性炭等碳基材料。但上述專利均未涉及通過合理控制污泥碳基材料制備過程，將污泥加熱過程中產(chǎn)生的熱解液體作為分散劑/粘合劑回用到污泥碳基材料制備過程中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種利用污泥制備污泥碳基材料的方法，其降低了污泥碳基材料生產(chǎn)過程在輔材的使用量，降低污泥碳基材料生產(chǎn)成本及生產(chǎn)過程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

本發(fā)明的目的是提供一種利用污泥制備污泥碳基材料的方法，包括如下步驟：

(1)烘焙：污泥經(jīng)低溫烘焙得到烘焙固體產(chǎn)物和烘焙氣體產(chǎn)物；

(2)均混：將烘焙固體產(chǎn)物、改性劑與步驟(7)冷凝得到的冷凝輕質(zhì)組分混合均勻，改性劑與烘焙固體產(chǎn)物的質(zhì)量比為2～5:1；

(3)熱解：將步驟(2)得到的混合物進(jìn)行高溫?zé)峤猓玫綗峤夤腆w產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物；

(4)混合：將熱解固體產(chǎn)物與步驟(7)冷凝得到的冷凝重質(zhì)組分混合；

(5)成型固化：將步驟(4)得到的混合物進(jìn)行成型固化，得到成型固化產(chǎn)物；

(6)活化：將步驟(5)得到的成型固化產(chǎn)物進(jìn)行活化得到污泥碳基材料；

(7)冷凝：將步驟(1)、步驟(3)過程中的產(chǎn)生的烘焙氣體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物分別進(jìn)行冷凝分離，得到冷凝輕質(zhì)組分、冷凝重質(zhì)組分、水及不凝氣，其中烘焙氣體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝重質(zhì)組分用于步驟(4)，烘焙氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝輕質(zhì)組分用于步驟(2)。

烘焙、熱解過程產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物經(jīng)過冷凝分別得到輕質(zhì)組分、重質(zhì)組分和氣體，輕質(zhì)組分含有大量的水、有機(jī)酸、醇、酮、糖等，輕質(zhì)組分通常呈液體狀，密度較小，粘度低，是性質(zhì)優(yōu)良的分散劑；重質(zhì)組分呈瀝青狀，主要是污泥中有機(jī)物裂解產(chǎn)生的聚合度較大的大分子聚合物，具有較高的密度和粘度，是優(yōu)良的粘合劑；氣體為不可冷凝的氣體(即不凝氣)，主要成分為co、h2、ch4、co2等，氣體熱值通常在10000～20000kj/m³，可以作為烘焙過程的輔助燃料。

優(yōu)選地，所述的烘焙溫度為200℃～350℃，烘焙時(shí)間為2～6h。通過該烘焙溫度和烘焙時(shí)間使污泥完全干燥，同時(shí)使污泥中在高溫條件下易生成小分子氣體和液體的有機(jī)物在較低溫度和較長反應(yīng)停留時(shí)間條件下，通過慢速的縮聚反應(yīng)進(jìn)行芳構(gòu)化和炭化，生成較為穩(wěn)定的大分子有機(jī)物。

優(yōu)選地，所述的熱解溫度為500℃～900℃，熱解時(shí)間為0.5～2h。烘焙得到的固體產(chǎn)物、烘焙后得到的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的重質(zhì)組分和熱解后得到的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的重質(zhì)組分均勻混合后在該熱解溫度和熱解時(shí)間條件下快速熱解。作為粘合劑使用的重質(zhì)組分與烘焙得到的固體產(chǎn)物在高溫下含氫、含氧基團(tuán)迅速釋放，含碳基團(tuán)留在固體產(chǎn)物中形成含有大孔結(jié)構(gòu)的熱解碳骨架結(jié)構(gòu)及熱解碳，并使熱解碳保持一定的形狀。

優(yōu)選地，所述的活化溫度為600℃～1000℃，活化時(shí)間為5～10h。通過該活化溫度和活化時(shí)間使成型固化產(chǎn)物進(jìn)行活化得到污泥碳基材料。

優(yōu)選地，所述的改性劑選自磷酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鋅或高錳酸鉀中的一種以上。冷凝后得到的輕質(zhì)組分的ph值通常在2～4之間，呈酸性，優(yōu)選的，改性劑是上述提出的酸、鹽中兩者的混合物。

優(yōu)選地，所述的污泥含水率為30％～80％。

優(yōu)選地，所述的不凝氣經(jīng)過燃燒產(chǎn)生為烘焙過程提供熱源的煙氣。

優(yōu)選地，烘焙氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的輕質(zhì)組分ph值為2～4，熱解氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的輕質(zhì)組分ph值為2～4。

優(yōu)選地，步驟(3)中熱解氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的冷凝輕質(zhì)組分用于后續(xù)污泥制備污泥碳基材料的熱解步驟中。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明提供的技術(shù)通過對污染熱解制取污泥碳基材料過程中產(chǎn)生氣體產(chǎn)物進(jìn)行冷凝得到的重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分分別作為生產(chǎn)過程在的粘合劑及分散劑使用，降低了污泥碳基材料生產(chǎn)過程在輔材的使用量，降低污泥碳基材料生產(chǎn)成本；

2)本發(fā)明提供的技術(shù)由于采用整體式加熱，同時(shí)通過添加改性物質(zhì)有利于在污泥碳生產(chǎn)過程中促進(jìn)污泥碳中孔的形成，所生產(chǎn)的污泥碳具有較大的比表面積，污泥碳物化性質(zhì)較好。

附圖說明：

圖1是利用污泥制備污泥碳基材料的工藝流程圖；

圖2是有不凝氣熱回收的利用污泥制備污泥碳基材料的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式：

以下實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。

除特別說明，本發(fā)明中的實(shí)驗(yàn)材料和試劑均為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)市購產(chǎn)品。

參閱圖1和圖2：一種利用污泥制備污泥碳基材料的方法，包括如下步驟：

(1)烘焙：污泥經(jīng)低溫烘焙得到烘焙固體產(chǎn)物和烘焙氣體產(chǎn)物；

(2)均混：將烘焙固體產(chǎn)物、改性劑與冷凝輕質(zhì)組分混合均勻，改性劑與烘焙固體產(chǎn)物的質(zhì)量比為2～5:1；

(3)熱解：將步驟(2)得到的混合物進(jìn)行高溫?zé)峤?，得到熱解固體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物；

(4)混合：將熱解固體產(chǎn)物與冷凝重質(zhì)組分混合；

(5)成型固化：將步驟(4)得到的混合物進(jìn)行成型固化，得到成型固化產(chǎn)物；

(6)活化：將步驟(5)得到的成型固化產(chǎn)物進(jìn)行活化得到污泥碳基材料；

將步驟(1)、步驟(3)過程中的產(chǎn)生的烘焙氣體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物分別進(jìn)行冷凝分離，得到冷凝輕質(zhì)組分、冷凝重質(zhì)組分、水及不凝氣，其中烘焙氣體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝重質(zhì)組分用于步驟(4)，烘焙氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝輕質(zhì)組分用于步驟(2)。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種利用污泥制備污泥碳基材料的方法，包括如下步驟：

(1)烘焙：污泥在250℃下烘焙5h得到烘焙固體產(chǎn)物和烘焙氣體產(chǎn)物；

(2)均混：將烘焙固體產(chǎn)物、磷酸及冷凝輕質(zhì)組分混合均勻，磷酸與烘焙固體產(chǎn)物的質(zhì)量比為2:1；

(3)熱解：將步驟(2)得到的混合物在800℃下熱解1h；

(4)混合：將熱解固體產(chǎn)物與冷凝重質(zhì)組分混合；

(5)成型固化：將步驟(4)得到的混合物進(jìn)行成型固化得到成型固化產(chǎn)物；

(6)活化：將步驟(5)得到的成型固化產(chǎn)物在900℃下活化6h得到污泥碳基材料；

將步驟(1)、步驟(3)過程中的產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物進(jìn)行冷凝分離，得到冷凝輕質(zhì)組分、冷凝重質(zhì)組分、水及不凝氣。其中烘焙氣體產(chǎn)物和熱解氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝重質(zhì)組分用于步驟(4)，烘焙氣體產(chǎn)物冷凝后得到的冷凝輕質(zhì)組分用于步驟(2)中。

所采用的原生污泥含水率為30％，通過烘焙使污泥完全干燥，同時(shí)使污泥中在高溫條件下易生成小分子氣體和液體的有機(jī)物在較低溫度和較長反應(yīng)停留時(shí)間條件下，通過慢速的縮聚反應(yīng)進(jìn)行芳構(gòu)化和炭化，生成較為穩(wěn)定的大分子有機(jī)物。

烘焙后得到的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的冷凝重質(zhì)組分、熱解后得到的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的冷凝重質(zhì)組分以及烘焙得到的固體產(chǎn)物均勻混合后成型，然后在高溫快速熱解。作為粘合劑使用的重質(zhì)組分以及烘焙得到的固體產(chǎn)物在高溫下含氫、含氧基團(tuán)迅速釋放，含碳基團(tuán)留在固體產(chǎn)物中形成含有大孔結(jié)構(gòu)的熱解碳骨架結(jié)構(gòu)及熱解碳。經(jīng)過熱解后制備的熱解碳碳含量為16.97％，比表面積為105.39m²/g。

烘焙、熱解過程產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物經(jīng)過冷凝得到的輕質(zhì)組分含有大量的水、有機(jī)酸、醇、酮、糖等，輕質(zhì)組分通常呈液體狀，密度較小，粘度低，是性質(zhì)優(yōu)良的分散劑；冷凝得到的重質(zhì)組分呈瀝青狀，主要是污泥中有機(jī)物裂解產(chǎn)生的聚合度較大的大分子聚合物，具有較高的密度和粘度，是優(yōu)良的粘合劑。

經(jīng)過活化步驟制備的污泥碳基材料碳含量為12.65％，比表面積為280.82m²/g。

在本實(shí)施例中，冷凝過程得到的輕質(zhì)組分的ph值在在2.8～3.5之間，呈酸性。將磷酸與烘焙得到的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的輕質(zhì)組分混合，然后與烘焙得到的固體產(chǎn)物混合浸漬，使污泥碳改性劑浸漬到污泥碳基材料中。

實(shí)施例2

如圖2所示，與實(shí)施例1相同，不同之處在于：

所采用的污泥含水率為40％，烘焙溫度為200℃，烘焙時(shí)間為2h；改性劑為高錳酸鉀，添加量為烘焙固體產(chǎn)物質(zhì)量的3倍；熱解溫度為500℃，熱解時(shí)間為0.5h，活化溫度為600℃，活化時(shí)間為5h。

烘焙及熱解過程的氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝過程得到的不凝氣經(jīng)過燃燒產(chǎn)生為烘焙過程提供熱源的煙氣。

實(shí)施例3

與實(shí)施例1相同，不同之處在于：

所采用的原生污泥含水率為80％，烘焙溫度為350℃，烘焙時(shí)間為6h；改性劑為硫酸和氯化鋅的混合物，添加量為烘焙固體產(chǎn)物質(zhì)量的3倍，其中硫酸與氯化鋅的質(zhì)量比為1:1；熱解溫度為900℃，熱解時(shí)間為2h，活化溫度為1000℃，活化時(shí)間為10h。

對比例1

與實(shí)施例1相同，不同之處在于：

將污泥在800℃直接熱解1h制碳，然后在900℃活化6h活化。該過程中會產(chǎn)生污泥原料重量約50％的水，25％的難處理冷凝油，10％的不凝氣，15％的污泥碳基材料。

對比例2

與實(shí)施例1相同，不同之處在于：

將污泥在180℃烘焙1.5h后，改性劑為高錳酸鉀，添加量為烘焙固體產(chǎn)物質(zhì)量的1.5倍；熱解溫度為450℃，熱解時(shí)間為0.4h，活化溫度為500℃，活化時(shí)間為4h。

對比例3

與實(shí)施例1相同，不同之處在于：

將污泥在380℃烘焙6.5h后，改性劑為高錳酸鉀，添加量為烘焙固體產(chǎn)物質(zhì)量的5.5倍；熱解溫度為950℃，熱解時(shí)間為2.5h，活化溫度為1050℃，活化時(shí)間為10.5h。

與對比例1相對比，實(shí)施例1～3產(chǎn)生的重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分得到充分利用，實(shí)現(xiàn)了能源的充分利用。本發(fā)明提供的技術(shù)通過對污染熱解制取污泥碳基材料過程中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物進(jìn)行冷凝得到的重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分分別作為生產(chǎn)過程在的粘合劑及分散劑使用，降低了污泥碳基材料生產(chǎn)過程在輔材的使用量，降低污泥碳基材料生產(chǎn)成本。

以上對本發(fā)明提供的利用污泥制備污泥碳基材料的方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的技術(shù)方案及其核心思想，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。