污泥基活性炭的制备工艺与装置研究

摘要

随着我国经济高速发展，城市的规模日益扩大，导致环境问题也变得日益突出，其中城市污泥的处理就是一个严峻的问题。污泥的最佳出路是资源化。用城市污水厂污泥制备活性炭，不仅能解决污泥的二次污染问题，还能部分替代制备活性炭的能源材料，因此已经受到国内外的广泛关注。
　　 本文以经过干燥和热解后的城市污泥热解残炭为原料，采用水蒸气作为活化剂，在流化床活化反应器中制备污泥基活性炭，以碘和亚甲基蓝吸附值为衡量标准，研究了活化温度、活化时间和水蒸气用量对污泥基活性炭性能的影响规律，获得了最佳工艺条件:活化温度500℃、活化时间20min、水蒸气用量为投加物料质量2.5倍，在此条件下污泥基活性炭的亚甲基蓝吸附值达到60.47mg/g。采用元素分析、扫描电镜、BET-N2吸附等测试手段，对最佳条件下制备的污泥基活性炭的吸附性能进行了表征。结果表明，活化工艺可以明显改变污泥基活性炭的形貌特征，使其表面分布着许多中孔，提高了其对大分子的吸附能力。另一方面，金属浸出毒性实验表明，污泥基活性炭中主要重金属含量不超标，将其用于废水处理是安全的。
　　 本文还进行了污泥基活性炭对重金属离子的静态吸附实验，研究了溶液pH值、吸附剂用量及溶液初始离子浓度对去除效果的影响特性:随着pH值的升高，铜、铅离子的去除率和活性炭的吸附容量都增大;随着吸附剂用量的增大，重金属离子的去除率增大，活性炭吸附容量先增大后减小;随着溶液初始浓度的增大，重金属离子的去除率减小，而活性炭吸附容量增大。吸附实验表明，采用本文方法制备的污泥基活性炭对铜、铅离子的吸附容量最高分别可达2.5mg/g和26mg/g，虽然与市场上常见的对铅离子吸附容量达40mg/g的活性炭相比有差距，但是从成本上来看，本产品在含重金属离子工业废水处理方面仍具有较好的应用前景。对上述静态吸附实验进行Langmuir和Freundlich等温吸附模拟并比较，发现Langmuir方程比Freundlich方程更适合描述污泥基活性炭对重金属离子的吸附，表明吸附以表面单分子层化学吸附为主。
　　 针对江苏省句容市50t/d城市污泥热解制备生物油和活性炭工程项目，利用上述实验研究的工艺参数，结合污泥基活性炭制备过程中的物料质量平衡和能量平衡计算，进行了该工程的污泥基活性炭反应器的装置设计。该装置主体为壁厚6mm，底面为600mm*600mm的直简体，高2m，进料口在简体的正上方，主简体上部出口接有旋风分离器。简体内插有16根功率为1kw的电加热棒，其外有数组测温测压装置和保温层。反应完成制得的活性炭直接在密闭的情况下进入水冷螺旋输送机冷却收集。目前该反应器已经在制造中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 概述

1．1．2 污泥的传统处理处置

1．1．3 污泥的资源化技术

1．2 污泥基活性炭的国内外研究综述

1．2．1 国内外污泥制备活性炭研究进展

1．2．2 国内外污泥基活性炭应用研究

1．3 本课题研究目的与主要内容

1．3．1 课题研究的目的和意义

1．3．2 课题研究的主要内容

第二章 污泥基活性炭的制备及表征

2．1 原料污泥的预处理

2．2 污泥基活性炭的制备流程

2．3 污泥基活性炭的表征方法

2．3．1 亚甲基蓝吸附值的测定

2．3．2 碘吸附值的测定

2．3．3 污泥基活性炭BET比表面积和孔隙结构的测定

2．3．4 污泥基活性炭表面形态的研究

2．3．5 污泥基活性炭浸出液中重金属含量的测定

2．4 污泥制备活性炭的实验设计

2．4．1 正交实验设计

2．4．2 单因素实验设计

2．5 污泥制备活性炭工艺条件的确定

2．5．1 高温正交实验分析

2．5．2 高温单因素实验分析

2．5．3 中低温正交实验分析

2．5．4 污泥基活性炭最佳制备工艺的优化

2．6 量优工艺制得污泥基活性炭的分析

2．6．1 污泥基活性炭外貌特性分析

2．6．2 污泥基活性炭的元素分析

2．6．3 污泥基活性炭浸出液重金属含量分析

2．6．4 污泥基活性炭的表面形态

2．6．5 污泥基活性炭的孔隙结构

2．7 本章小结

第三章 污泥基活性炭的重金属离子吸附应用研究

3．1 含重金属离子废水的处理方法

3．2 污泥基活性炭对铜、铅离子的吸附实验

3．2．1 原料与实验仪器

3．2．2 实验方法

3．2．3 实验方案的设计

3．2．4 实验结果和讨论

3．2．5 铜、铅离子吸附等温模型

3．3 本章小结

第四章 污泥基活性炭的流化床反应器设计

4．1 基础数据分析

4．1．1 原料

4．1．2 反应参数和条件

4．2 设计计算

4．2．1 工业规模活化反应器设计考虑因素

4．2．2 流态化设计计算

4．2．3 反应器尺寸设计

4．2．4 物料平衡及能量平衡计算

4．2．5 水冷螺旋输送机的换热计算

4．2．6 反应器的材料选取

4．2．7 反应器设计过程遇到的问题及解决方案

4．3 本章小结

第五章 全文总结

5．1 结论

5．2 本文的创新性

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢