泥質(zhì)活性炭的制備及污泥熱解動力學(xué)研究.pdf

1、隨著污水處理廠數(shù)量的增加和國家排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格化,污水處理廠產(chǎn)生的污泥越來越多,由于污水污泥的含水率高等特點(diǎn),采用傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋、農(nóng)用、投海等處理方法都存在不同的弊端。因此污水污泥的處理已成為全球關(guān)注的問題。熱解法作為最有潛力的熱化學(xué)處理技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。利用城市污水處理廠污泥制備活性炭就是利用熱解原理進(jìn)行污泥資源化利用的新方法。
　　以西安市污水處理廠未消化脫水污泥為原料制備了泥質(zhì)活性炭。得出了制備工藝參數(shù)對泥質(zhì)活性炭外貌特性、化

2、學(xué)組成、孔結(jié)構(gòu)特性的影響規(guī)律,并分別深入探討了干燥污泥和活化污泥熱解過程中活化能及指前因子的變化規(guī)律,在DTG曲線峰值前后分別采用不同的機(jī)理函數(shù)描述其熱解機(jī)理,得出干燥污泥和經(jīng)不同濃度活化劑活化后污泥的分階段熱解反應(yīng)動力學(xué)模型,為實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。用制備的泥質(zhì)活性炭應(yīng)用于含鉻廢水的處理,分析了不同吸附條件對污染物去除率的影響規(guī)律,評價了泥質(zhì)活性炭對含鉻廢水的去除效果。通過動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)及再生實(shí)驗(yàn)對含鉻廢水進(jìn)行重復(fù)吸附,效果

3、良好。并分析了泥質(zhì)活性炭的應(yīng)用前景及生產(chǎn)成本。
　　以西安市污水處理廠未消化脫水污泥為原料,采用氯化鋅炭化活化法制備了泥質(zhì)活性炭。研究了氯化鋅濃度、活化溫度、活化時間、液固比對評價指標(biāo)碘值和亞甲基藍(lán)值的影響規(guī)律,以最終綜合分值為控制指標(biāo)確定了泥質(zhì)活性炭的最佳制備條件,即活化劑濃度4mol·L-1、活化溫度550℃、活化時間60min、液固比為2.5:1,制備出來的活性炭碘值大于358.68mg·g-1,亞甲基藍(lán)吸附值大于45.90

4、 mg·g-1,得出了各因素按影響大小排序?yàn)?活化溫度>活化劑濃度>活化時間>液固比。泥質(zhì)活性炭比表面積為227 m2·g-1,平均孔徑為0.71 nm,微孔比表面積所占比例51.44％,中大孔比表面積所占比例48.56%?？偪卓兹轂?00.89 ml/g,微孔孔容63.50 ml/g,中孔孔容37.39 ml/g,微孔孔容所占比例為62.94%,中大孔孔容所占比例為37.06%。通過電鏡掃描(SEM)、熱重分析(TG)、紅外光譜分析(

5、FT-IR)、氮?dú)馕降仁侄伪碚髁四噘|(zhì)活性炭的特性,分析了工藝參數(shù)對泥質(zhì)活性炭外貌特征、化學(xué)組成、孔結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響規(guī)律。
　　通過氮?dú)馕絻x對制備的泥質(zhì)活性炭進(jìn)行測定,得到的吸附等溫線屬于Ⅱ型吸附等溫線,應(yīng)用BET多分子層吸附理論模型擬合泥質(zhì)活性炭上氮?dú)馕降葴鼐€的BET直線方程,得出常數(shù) C為414.869,因?yàn)镃>2時,所以吸附等溫線是Ⅱ型,這與實(shí)驗(yàn)所得的吸附等溫線結(jié)果是一致的。吸附─脫附等溫線的滯后環(huán)均為A類滯后環(huán),制

6、備的泥質(zhì)活性炭的孔結(jié)構(gòu)可能是兩端開口的均勻圓管狀孔或不規(guī)則筒形、菱形、方形、均勻珠串形孔等。
　　利用熱重(TG)分析儀,采用非等溫技術(shù)對城市污水處理廠干燥污泥熱和活化污泥的熱解特性及動力學(xué)模型系統(tǒng)地進(jìn)行了研究,得出干燥污泥和活化污泥不同的熱解機(jī)理模型。分別探索了在熱重分析時干燥污泥和活化污泥升溫速率對污泥熱解轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速率的影響。結(jié)合Flynn-Wall-Ozawa法,Kissinger法,Satava-Sestak法和Coa

7、ts-Redfern法對干燥污泥熱解進(jìn)行了動力學(xué)分析,確定了干燥污泥熱解反應(yīng)的動力學(xué)三因子,確定了干燥污泥熱解最概然機(jī)理函數(shù)。干燥污泥熱解過程的表觀活化能為90～110 kJ·mol-1,指前因子為1.32×109～3.55×109min-1。
　　通過雙外推法確定了干燥污泥熱解最概然機(jī)理函數(shù)。因?yàn)槲勰酂峤膺^程中不能采用單一的機(jī)理模型來描述整個熱解過程,所以在DTG曲線峰值前后分別采用不同的熱解機(jī)理模型來描述污泥熱解反應(yīng),DTG峰

8、值前后體系處于原始狀態(tài)的Eα→0值分別為102.17 kJ·mol-1和88.17 kJ·mol-1。DTG曲線峰值前最概然機(jī)理函數(shù)為No.3 G-B方程,屬三維擴(kuò)散、球形對稱機(jī)理,DTG曲線峰值前干燥污泥熱解過程的表觀活化能 Eβ→0=107.44KJ·mol-1,lnAβ→0=12.64;DTG曲線峰值后最概然機(jī)理函數(shù)為No.13 Avrami-Erofeev方程(n=3),熱解機(jī)理為隨機(jī)成核和隨后生長機(jī)理,DTG曲線峰值后干燥污泥

9、熱解過程的表觀活化能Eβ→0=88.34 KJ·min-1, lnAβ→0=14.25。
　　對活化污泥 DTG曲線峰值前后分別采用不同機(jī)理函數(shù)描述其熱解機(jī)理,采用雙外推法確定了不同濃度的活化劑活化后污泥的最概然熱解機(jī)理函數(shù)。對于制備泥質(zhì)活性炭常用的不同濃度活化劑活化后污泥的熱解機(jī)理模型進(jìn)行了研究,得出四階段熱解機(jī)理模型。經(jīng)3 mol·L-1活化劑活化后污泥的四階段熱解機(jī)理依次為二維擴(kuò)散、圓柱形對稱機(jī)理,lnAβ→0=8.4529

10、;1.5級化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,lnAβ→0=3.6824;3級化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,lnAβ→0=23.019;成核、生長機(jī)理(n=1/3),lnAβ→0=-4.5689。經(jīng)4mol·L-1活化劑活化后污泥的四階段熱解機(jī)理依次為2級化學(xué)反應(yīng),lnAβ→0=0.0232;成核和生長(n=3),lnAβ→0=28.395;3級化學(xué)反應(yīng),lnAβ→0=30.643;三維擴(kuò)散機(jī)理,lnAβ→0=7.5558。經(jīng)5mol·L-1活化劑活化后污泥的四階段熱解機(jī)理

11、依次為Mampel-Power法則(n=1/3),lnAβ→0=4.3671;3級化學(xué)反應(yīng),lnAβ→0=3.9417;2級化學(xué)反應(yīng),lnAβ→0=19.103;Mampel-Power法則(n=3/2),lnAβ→0=17.133。
　　研究了泥質(zhì)活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水的吸附性能,考察了泥質(zhì)活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水的吸附動力學(xué)行為。研究了以泥質(zhì)活性炭投加量、pH值、Cr(Ⅵ)濃度、吸附時間對含Cr(Ⅵ)廢水去除率的影響規(guī)律,通

12、過正交試驗(yàn)確定了影響Cr(Ⅵ)吸附的四個因素中按影響大小排序?yàn)?泥質(zhì)活性炭投加量>pH值>Cr(Ⅵ)初始濃度>吸附時間。確定了泥質(zhì)活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水最佳吸附條件為:吸附時間10 min,Cr6+初始質(zhì)量濃度10 mg/L,泥質(zhì)活性炭投加量5g/L,溶液pH=1,在此吸附條件下,泥質(zhì)活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水吸附率高于99.6%。泥質(zhì)活性炭對含Cr(Ⅵ)廢水的去除率不亞于商品活性炭,而且每克活性炭能吸附的Cr(Ⅵ)量大于商品活性炭。分