一种污泥基炭铁材料的制备及用途

技术领域

本发明涉及污泥资源化领域，尤其涉及一种污泥基炭铁材料的制备及用途。

背景技术

在中国，随着经济的快速发展，污水处理厂(WWTPs)的数量大大增加，污水污泥产量也迅速增加。据报道，从2007年到2013年，污泥产生量以每年13％的速度增长，2013年生产了625万吨干污泥。因此，开发既能快速处理污泥、又能实现污泥资源化利用的方法已迫在眉睫。在诸多污泥资源化方法中，污泥热解具有处理迅速、无害化处理彻底、处置后污泥稳定性好、并可回收能源等优点，而且热解后的固体产物具有制备炭基材料的应用潜力，日益受到重视。

同时，随着中国工业的快速发展,生态环境的破坏日益加剧。尤其是有机化工合成工业、石油化工、食品工业、制药工业和染料工业等排放的有机废水具有高浓度、高色度和难生化等特点,相对而言,对生态环境的危害也大,此类废水的处理日益受到环境工作者的关注。铁炭微电解技术是20世纪后期发展起来的一种有效的水处理方法。铁炭微电解技术的核心是铁炭微电解填料，其第一、二代填料以铸铁屑或刨花材料为铁源、活性炭为碳源的免烧型复合材料；目前第三、四代填料以铁粉、煤粉以及结合剂在一定温度下隔氧烧制而成的烧结型复合材料。免烧型复合材料通过铁炭组配组合，容易出现铁与炭的分离，影响原电池反应；填料的制备采用低附加值的铁粉与煤粉为原料，成本相对较低，但是高温烧结的温度一般高于1000℃，而且在实际应用中，铁粉表面易钝化、导致填料板结。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料来源广，无需结合剂，成本低廉，工艺简单，所制备材料具有较强的针对有机废水的去除能力的污泥基炭铁材料的制备方法及对有机废水的去除方法。实现了污泥资源化利用和有机废水的协同处置，为污泥提供了一种行之有效的高附加值利用技术。

为实现上述目的，本发明提供一种污泥基炭铁材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

干燥污泥的获得：将含铁脱水污泥室温通风条件下风干后，于60-90℃下干燥4-6h，得到含水率低于30％的干燥污泥；

固体产物的获得：将所得干燥污泥加入热解炉，通入二氧化碳后保持常温，再程序升温达到终温700-900℃后停留，得到固体产物；

污泥基炭铁材料的获得：将所得固体产物冷却至室温，得到污泥基炭铁材料。

进一步，所述干燥污泥的获得步骤中，脱水污泥的粒径为50-200目；

任选的，脱水污泥的含水率为40-70％。

进一步，所述固体产物的获得步骤中二氧化碳的气体流量为200-500ml/min，保持常温的时间为30min～1h。

进一步，所述固体产物的获得步骤中，程序升温的升温速率为10℃/min；

任选的，达到终温后停留的时间为30～240min。

本发明还提供由所述污泥基炭铁材料的制备方法制备得到的污泥基炭铁材料。

本发明还提供一种使用所述污泥基炭铁材料处理有机废水的用途，该方法包括将所述有机废水采用污泥基炭铁材料进行处理。

进一步，所述有机废水为含三氯生和硝基苯的有机废水。

进一步，将所述污泥基炭铁材料加入到有机废水处理器中持续搅拌；优选的，污泥基炭铁材料与有机废水的用量比为(0.01-0.5)kg：50L。

进一步，所述持续搅拌的时间为2-10h。

所述方法中热解炉中通入二氧化碳的气体流量为200-500ml/min，常温停留时间为30min～1h。目的是为了在热解前去除反应体系中的空气；后续热解过程在二氧化碳气氛下进行，区别于常规氮气气氛。程序升温的升温速率为热解升温快慢的控制参数，属于慢速热解范围，终温设置为了在较高温度下热解，增加比较面积和孔结构。

该方法以含铁脱水污泥作为原料，利用二氧化碳气氛下热解的制备方法，制备出去除废水中有机物能力强，去除效率高，稳定性强等特点的污泥基碳铁材料，实现污泥的变废为宝以及污水中有机物去除的双重效果。该发明的制备工艺简单，实现了废弃资源的再利用，具有一定的社会、经济和环境效益。

制备得到的污泥基碳铁材料的碳铁充分均匀混合，不易分离；其中铁镶嵌在炭的结构中，结合牢固，分散均匀，对于有机废水具有高效稳定的特性。污泥基炭铁材料对废水中三氯生和硝基苯的去除效率均达到了95％以上，具有较强的净水能力。热解温度相对较低，且成本低廉。

附图说明

图1是不同污泥基碳铁材料投样量对三氯生和硝基苯的去除率的影响结果图。

图2是污泥基碳铁材料对三氯生吸附能力随时间的变化结果图。

图3是污泥基碳铁材料对双酚A吸附能力随时间的变化结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：污泥基炭铁材料的制备及其处理有机废水

(1)将70％含水率的含铁脱水污泥室温通风条件下风干后，于60℃下干燥4h，过200目筛，得到含水率低于30％的干燥污泥；

(2)将所得干燥污泥加入热解炉，通入二氧化碳(二氧化碳的气体流量为500ml/min)，常温保持30min，程序升温，升温速率为10℃/min，终温为700℃，达到终温后，停留30min，冷却至室温，得到固体产物极为所制备污泥基碳铁材料；

(3)将所得污泥基碳铁材料加入到有机废水处理器中；污泥基炭铁材料与有机废水的用量比为0.1kg：50L。所述有机废水处理持续搅拌，时间为2h。其对废水中三氯生和硝基苯的去除效率均达到了95％以上，具有较强的净水能力。

实施例2：污泥基炭铁材料的制备及其处理有机废水

(1)将40％含水率的含铁脱水污泥室温通风条件下风干后，于70℃下干燥6h，过50目筛，得到含水率低于30％的干燥污泥；

(2)将所得干燥污泥加入热解炉，通入二氧化碳(二氧化碳的气体流量为200ml/min)，常温保持40min，程序升温，升温速率为10℃/min，终温为800℃，达到终温后，停留240min，冷却至室温，得到固体产物极为所制备污泥基碳铁材料；

(3)将所得污泥基碳铁材料加入到有机废水处理器中；污泥基炭铁材料与有机废水的用量比分别为1kg：50L。所述有机废水处理持续搅拌，时间为2h。其对废水中三氯生和硝基苯的去除效率均达到了95％以上，具有较强的净水能力。

实施例3：污泥基炭铁材料的制备及其处理有机废水

(1)将60％含水率的含铁脱水污泥室温通风条件下风干后，于90℃下干燥5h，过100目筛，得到含水率低于30％的干燥污泥；

(2)将所得干燥污泥加入热解炉，通入二氧化碳(二氧化碳的气体流量为400ml/min)，常温保持1h，程序升温，升温速率为10℃/min，终温为900℃，达到终温后，停留180min，冷却至室温，得到固体产物极为所制备污泥基碳铁材料；

(3)将所得污泥基碳铁材料加入到有机废水处理器中；污泥基炭铁材料与有机废水的用量比为2kg：50L。所述有机废水处理持续搅拌，时间为2h。其对废水中三氯生和硝基苯的去除效率均达到了95％以上，具有较强的净水能力。

实施例4：污泥基炭铁材料的制备及其处理有机废水

将实施例1所得的污泥基碳铁材料处理有机废水(持续搅拌，时间为2h)，有机废水均为50mL，其中污泥基碳铁材料投样量依次为0.01g，0.05g，0.1g，0.2g，0.5g。结果见图1。

称取0.01g的污泥生物炭，加入装有50mL初始浓度为50mg/L的TCS溶液，固液比为0.01g:50mL，在25℃下，水平振荡速率为150r/min，设置不同的振荡时间，分别为：5、10、20、30、45、60、90、120、240min，在上述不同振荡时间下，从锥形瓶移取适当的上清液，经0.22μm的滤头过滤，保存待测，用以探究吸附动力学特征。结果见图2。

配制浓度为10mg/L的BPA溶液，固液比0.01:50，在25℃下，水平振荡速率为150r/min，取上清液测定BPA的含量。震荡时间/min：5、10、20、30、45、60、90、120、240。结果见图3。

其中图1是不同污泥基碳铁材料投样量对三氯生和硝基苯的去除率的影响结果图。图2是污泥基碳铁材料对三氯生吸附能力随时间的变化结果图。图3是污泥基碳铁材料对双酚A吸附能力随时间的变化结果图。从图1-3可以看出，随着污泥基碳铁材料投样量增加，三氯生和硝基苯的去除率逐渐增加，当污泥基碳铁材料为0.01g时，三氯生的去除率就超过了95％，硝基苯的去除率超过85％，当污泥基碳铁材料为0.1g时，硝基苯的去除率也超过95％，当污泥基碳铁材料为0.2g时，三氯生和硝基苯的去除率接近，到0.2g时，三氯生和硝基苯的去除率均接近100％。

可以看出本发明制备得到的污泥基碳铁材料去除废水中有机物能力强，去除效率高，稳定性强等特点，其对废水中三氯生和硝基苯的去除效率均达到了95％以上，具有较强的净水能力。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。