污泥活性炭的制備及環(huán)境治理的應(yīng)用范文

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摘要：本文主要介紹了污泥活性炭的制備及在污染治理中的應(yīng)用。著重討論了油泥、市政污泥等不同污泥來源、微波熱解、水熱炭化等不同熱解工藝、活化劑種類與添加劑對污泥活性炭性能的影響。簡述了污泥活性炭在污染治理中的應(yīng)用，分析了其在不同廢水、廢氣的處理及土壤改良中的應(yīng)用。同時，本文對污泥活性炭的制備及應(yīng)用作出展望，即應(yīng)解決化學(xué)活化帶來的高成本和二次污染問題；在應(yīng)用方面，應(yīng)多開展不同污染物同時吸附的研究。

關(guān)鍵詞：污泥活性炭；制備；環(huán)境治理；應(yīng)用

我國大多數(shù)行業(yè)在治污過程中，污泥的合理有效利用一直是軟肋。在污泥的組成中，含碳有機物是污泥的重要的部分，為合理利用污泥中的碳元素，研究人員將污泥轉(zhuǎn)化為有吸附性能的活性炭。同時，污泥來源廣、屬于待處理污染物，且大量研究表明，污泥制得的活性炭對某些污染物的吸附能力較強，故前景較好。

1污泥活性炭的制備

為達到“以污治污”的目標，研究人員提出將污泥制成活性炭，制備方法的主體是熱解或煅燒。活性炭的吸附性能主要受污泥來源、熱解工藝、活化劑、添加劑等因素的影響[1]。

1.1污泥來源

不同來源的污泥碳含量不同，碳含量直接決定污泥活性炭的表面結(jié)構(gòu)和吸附性能[2]。其中市政污泥及含油污泥研究相對較多。石油工業(yè)產(chǎn)生的含油污泥碳含量高，MOHAMMAD等[3]研究了含油污泥制備活性炭的可行性。此外，鄧皓等[4]也成功地將含油污泥制成了比表面積大于2000m2/g活性炭，說明含油污泥制備活性炭前景可觀。相對于含油污泥來說，市政污泥制備活性炭的研究更為頻繁，且部分研究人員制備的活性炭吸附水中污染物的性能良好。Pan等[5]用消化污泥、化學(xué)污泥及二者混合后的污泥制備活性炭，并用三種活性炭和商業(yè)活性炭吸附水中有機物質(zhì)，試驗表明，后兩種活性炭均有很強的疏水性與去除COD的能力。此外，研究人員也將制革、造紙、紡織業(yè)水處理過程產(chǎn)生的污泥制成活性炭。制革污泥中殘留的毛皮等物質(zhì)可作為碳源，經(jīng)高溫?zé)峤饣罨芍频眯阅軆?yōu)良的活性炭，其對染料、PAHs的吸附性能良好[6]。造紙污泥含有大量纖維素等有機物，VaniaCalisto等[7]用造紙污泥制備活性炭，并將活性炭用于吸附水中西酞普蘭，取得了較好的效果。Kacan等[8]用紡織污水處理過程中的剩余污泥進行炭化活化，所得產(chǎn)物對RSB的吸附量為8.54mg/g。筆者認為今后應(yīng)開展多種污泥混合制備活性炭的研究，也應(yīng)探索不同來源污泥制備的活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2熱解工藝

污泥成炭必須經(jīng)過熱解，不同熱解工藝所得的活性炭，性能指標千差萬別。傳統(tǒng)的熱解主要是通過馬弗爐等進行一步熱解，產(chǎn)物吸附性能較差。因此，研究人員將熱解與活化過程分開，形成了兩步熱解工藝，即先碳化，碳化后樣品與活化劑混合共同熱解。主要原因是先碳化可去掉污泥中部分灰分，再活化時活化劑能充分與污泥中的碳接觸，對碳進行開孔。Kong等[9]用兩步活化法制備活性炭，即檸檬酸先活化，ZnCl2后活化，所得活性炭的空隙結(jié)構(gòu)分布均勻，有利于甲苯等難降解有機物的吸附及被吸附物質(zhì)在活性炭孔道內(nèi)遷移。微波熱解法可在樣品內(nèi)部同時產(chǎn)熱，且受熱均勻，加熱較快，故可縮短制備時間。微波熱解包括干燥、熱解、碳化三個階段，三個階段溫度依次升高[10]。袁春燕等[11]用微波熱解法制備污泥活性炭，在較低的功率下加熱8min，所得的活性炭碘值和比表面積均很理想，活性炭對BF-BR的吸附量達46mg/g。張襄楷等[12]研究表明，升高微波功率可縮短制備時間，當功率僅為400W時，制備時間可縮短至2min，且所得產(chǎn)物脫色率接近100%，遠高于商品活性炭(67.2%)。一般的熱解法均要求污泥含水率低，但污泥脫水會成本較高，為解決污泥高含水帶來的成本問題，部分人員將的水熱炭化思想應(yīng)用于活性炭的制備過程。水熱法是在加熱過程中將污泥中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝ㄟ^水蒸氣進行活化的活性炭制備技術(shù)，該技術(shù)充分利用了污泥中的水，固定碳的效果較好，環(huán)保節(jié)能[13-14]。許多研究表明水熱法制備的活性炭微孔發(fā)達，故適用于粒徑較小的污染物的吸附，如水中的重金屬離子。Cakan等[15]通過水熱法將葡萄糖制成碳微球，碳微球?qū)λ械腃d2+和Pb2+有較好的吸附能力；AATALO[16]將造紙污泥進行水熱炭化制備活性炭，炭產(chǎn)物對Pb2+的吸附試驗表明，到達吸附平衡所用時間短，且吸附量大。

1.3活化劑

無論何種熱解都是將未活化的污泥直接炭化，直接炭化所得產(chǎn)物的總孔容小和比表面積小，難以直接作吸附劑使用，因此，需要通過活性劑對炭化產(chǎn)物進行活化，提高其性能指標。常見活化劑包括下面三種。

1.3.1物理活化劑

物理活化劑在活化初期，活化氣體先與微晶周圍及微晶之間殘留的焦油反應(yīng)，非組織碳逐漸被氧化，初步形成類似石墨的微晶表面;石墨微晶的活躍部位的碳進一步與活化劑反應(yīng)，最終形成氣體逸出，微晶的這種反應(yīng)不斷進行，使得原有孔隙擴大，并出現(xiàn)新的孔隙，從而形成活性炭的多孔結(jié)構(gòu)，最終原料表面受到刻蝕并形成大量的孔隙結(jié)構(gòu)而具有巨大的比表面積，高溫下將活化氣體通入熱解爐，污泥與活化劑發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體從污泥內(nèi)部逸出[17-18]。以上過程可理解為微晶的不斷氣化使活性炭孔徑生成、變大。在制備過程中，活化步驟的各項參數(shù)均對活性炭的性能指標有影響。RIO等[19]以高溫H2O（氣）為活化劑，炭產(chǎn)物對苯酚和銅的吸附量分別為50和80mg/g。

1.3.2化學(xué)活化劑

化學(xué)活化劑通常在制備前與污泥進行浸漬混合，熱解時，高溫作用下產(chǎn)生的水蒸氣等物質(zhì)對活性炭進行開孔、擴孔，水蒸氣一部分來自于污泥所含的游離水，另一部分則來自于有機物脫出的水分。常用的化學(xué)活化劑主要包括KOH、H2SO4、CaCl2、KCr2O4、高錳酸鉀等具有腐蝕、氧化作用的化學(xué)藥品。LI等[20]以ZnCl2活化法制備活性炭，炭產(chǎn)物可作為良好的H2S去除劑。Gu等[21]以Fenton法活化制得的活性炭，其炭產(chǎn)物可較好的從水回收2-萘酚，回收量的最大值為111.9mg/g。

1.3.3復(fù)配活化劑

一般來說，復(fù)配活化劑是由兩種或以上的化學(xué)活化劑按一定的濃度、體積比混合而成的一類活化劑。李小川[22]將等摩爾質(zhì)量的ZnCl2與KOH復(fù)配，復(fù)配后的活化劑活化效果更為明顯，其炭產(chǎn)物對品紅的吸附性能強于商品活性炭。此外，部分研究一般按先化學(xué)、后物理的活化順序，將兩種活化劑聯(lián)用。尹炳奎[23]用ZnCl2、CO和水蒸氣作為活化劑制備活性炭，在同等條件下，ZnCl2、水蒸氣聯(lián)合活化的活性炭對脫色率接近100%。筆者認為活化劑效果的好壞是相對的，應(yīng)根據(jù)污泥性能、工藝設(shè)備以及活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域來選擇。目前，在活化劑選擇方面缺乏一致的看法，因此，活化劑及其活化機理有待深入研究。

1.4添加劑

影響活性炭性能的指標很多，研究人員通常在制備過程中添加各種物質(zhì)來改善活性炭的性能，比較常見的有增碳的生物質(zhì)和起催化作用的過渡金屬等。

1.4.1增碳劑

由于污泥的含碳量無法與石油焦等傳統(tǒng)活性炭原料相比，故在實際應(yīng)用中常將污泥與增碳劑混合制備活性炭，以提高活性炭的吸附性能。陶虎春等[24]以甘蔗渣來提高污泥碳含量，制得碘、亞甲基藍和Pb2+吸附值分別是686.55、131.07、21.54mg/g的活性炭，添加甘蔗渣后，比表面積、碘值、亞甲基藍值、Pb2+吸附值分別提高約8倍、6倍、2倍和20倍。另外也有塑料作為增碳劑的研究，塑料與污泥在重疊熱解溫度區(qū)間內(nèi)劇烈反應(yīng)，改善了污泥活性炭孔隙結(jié)構(gòu)，但其具體應(yīng)用效果仍處于研究階段[25]。

1.4.2催化劑

由于污泥中的纖維素、烴類等在熱解時難以分解，故熱解前在污泥中可適當加入過渡金屬（鐵、錳、鋅等）或其氧化物、氯化物等，催化芳香烴、纖維素等物質(zhì)的分解，以上物質(zhì)的分解可在活性炭表面引入羧基等，從而增強活性炭對重金屬的絡(luò)合及對有機物的吸附能力[21]。LIU等[26]研究指出，軟錳礦的加入，可提高污泥活性炭的介孔含量，介孔量的增加提高了大分子物質(zhì)的吸附量；另外，軟錳礦使污泥中大分子物質(zhì)分解徹底，從而使活性炭的碳骨架增多[27]。

2污泥活性炭應(yīng)用于污染治理

2.1水處理中的應(yīng)用

污泥活性炭可廣泛用于滲濾液、皮革、制藥、高含重金屬或營養(yǎng)物質(zhì)等廢水的處理。Yang等[28]以硫酸鐵為活化劑制得污泥活性炭，所得活性炭可高效的從生物污泥中回收四環(huán)素。尹炳奎[23]以制得的活性炭進行水處理試驗，結(jié)果表明，其對滲濾液的COD和色度有較好的去除效果；對印染廢水中GR和TOC去吸附率接近100％。關(guān)偉等[29]制得的活性炭對制藥廢水COD、TOC的最大去除率為分別為78.32%和63.08%。張珂等[30]研究表明，在強酸性時污泥活性炭對Cr(VI)吸附率接近100%。ROZADA等[31]用ZnCl2活化后的污泥活性炭吸附Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)，吸附量分別為175.4、64.1、30.7、15.4mg/g。高永坤等[32]用造紙污泥制備的活性炭處理低濃度含磷廢水，磷去除率為97.81%。

2.2廢氣處理中的應(yīng)用

污泥活性炭在廢氣處理中的應(yīng)用主要集中于脫硫脫硝、吸附H2S等有毒有害氣體，也有關(guān)于室內(nèi)氣體凈化的報道。Bandos等[33]以堿活化制得活性炭，其H2S吸附量可達30mg/g，且活性炭中引入的堿金屬元素可催化H2S的還原。李永民等[34]將MnO2和MgO負載到污泥活性炭上制得煙氣脫硫劑，該脫硫劑的脫硫率略高于商業(yè)活性炭。Wen等[35]制備的污泥活性炭具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)和表面官能團，其對甲醛的吸附能力優(yōu)于商業(yè)活性炭。Canals等[36]制得的活性炭可較好地去除空氣中的NH3，NH3的吸附量達19.1mg/g。

2.3土壤修復(fù)中的應(yīng)用

污泥活性炭修復(fù)被污染土壤的方式為：先吸附，后降解。在這個過程中，活性炭先吸附富集污染物，而后供聚集在活性炭上的微生物進行降解。活性炭為馴化后的微生物提供有利的生存條件，減輕微生物的競爭作用[37]和不利條件的傷害，以提高馴化后微生物的存活率和降解污染物的效率。李剛等[38]以市政污泥為原料制得污泥活性炭，將活性炭用于改良重金屬污染的土壤，改良后土壤重金屬含量達到了農(nóng)用二級標準，該研究為污泥活性炭用于土壤修復(fù)提供范例。

3總結(jié)與展望

從環(huán)境治理、廢物利用角度來說，污泥活性炭基本達到了環(huán)境友好型活性炭的標準。目前所展開的工作主要是提升特定物質(zhì)的吸附能力、活化劑的選擇及工藝參數(shù)的優(yōu)化，未來需要努力的方向如下：解決化學(xué)活化劑帶來的高成本和二次污染問題，開發(fā)出新型的活化劑。更多地開展多種污染物同步吸附的研究，如多種重金屬離子、重金屬離子與難降解有機物等地吸附，并探究吸附機理。

作者：杜明明；盧聰；王鳳超；屈撐囤；李金玲 單位：西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護重點實驗室