您現在的位置: 中國污水處理工程網 >> 技術轉移 >> 正文

基于污泥的磁性氮摻雜生物炭催化劑及其制備方法

發布時間:2019-10-7 7:10:10  中國污水處理工程網

  申請日2019.07.16

  公開(公告)日2019.09.13

  IPC分類號B01J27/24; C02F1/30; C02F101/30

  摘要

  本發明公開了一種基于污泥的磁性氮摻雜生物炭催化劑及其制備方法,屬于污泥資源化利用領域和環境修復領域。該制備方法包括以下步驟:將城市生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠產生的濃縮污泥和一定量的富氮化合物以及生物質廢棄物進行超聲混合,經烘干、球磨后將原料置于坩堝中加蓋密封,并在馬弗爐中高溫焙燒,最終制得高催化活性、高穩定性且分離回收容易的磁性氮摻雜生物炭催化劑。該催化劑可與氧化劑過一硫酸鹽(PMS)耦合,高效降解甚至礦化水體中的難降解有機污染物。本發明提供的制備方法具有原料來源廣、反應條件溫和、制備成本低、綠色環保等優勢,既回收利用了污水處理廠難處理的污泥和生物質廢棄物,又解決了水體中的難降解有機物污染問題,在污泥資源化利用領域和環境修復領域具有廣闊的應用前景。

  權利要求書

  1.一種磁性氮摻雜生物炭催化劑,其特征在于,通過如下方法制備而成:(1) 在坩堝中加入濃縮污泥、富氮化合物和生物質廢棄物,置于超聲清洗器中混合均勻;(2) 將步驟(1)所得混合物烘干至恒重,然后移入球磨機中研磨至50目以下;(3) 將步驟(2)所得混合物移入坩堝中,加蓋后置于馬弗爐中,經高溫焙燒后自然降至室溫,即得磁性氮摻雜生物炭催化劑;步驟(1)中所述濃縮污泥源自生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠,固體含量為1-10%,固體中有機質含量為35-55%,無機灰分中含有鈣、鐵、鋁、硅、錳元素,其中鐵元素含量為2-10%;所述富氮化合物為尿素、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲、鹽酸胍中的任意一種;所述生物質廢棄物為木屑、稻草、秸稈、樹皮、花生殼中的任意一種。

  2.根據權利要求1所述的磁性氮摻雜生物炭催化劑,其特征在于,步驟(1)中所述的濃縮污泥以固體計、富氮化合物和生物質廢棄物的重量比為1:0.05-2:0.05-2。

  3.根據權利要求1或2所述的磁性氮摻雜生物炭催化劑,其特征在于,步驟(3)中所述的高溫焙燒溫度為300-700℃,焙燒時間為1-6小時。

  4.制備權利要求1所述的磁性氮摻雜生物炭催化劑的制備方法,其特征在于, 通過如下步驟實現:(1) 在坩堝中加入濃縮污泥、富氮化合物和生物質廢棄物,置于超聲清洗器中混合均勻;(2) 將步驟(1)所得混合物烘干至恒重,然后移入球磨機中研磨至50目以下;(3)將步驟(2)所得混合物移入坩堝中,加蓋后置于馬弗爐中,經高溫焙燒后自然降至室溫,即得磁性氮摻雜生物炭催化劑;步驟(1)中所述濃縮污泥源自生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠,固體含量為1-10%,固體中有機質含量為35-55%,無機灰分中鐵元素含量為2-10%;所述富氮化合物為尿素、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲、鹽酸胍中的任意一種;所述生物質廢棄物為木屑、稻草、秸稈、樹皮、花生殼中的任意一種。

  5.根據權利要求4所述的磁性氮摻雜生物炭催化劑的制備方法,其特征在于,步驟(1)中所述的濃縮污泥以固體計、富氮化合物和生物質廢棄物的重量比為1:0.05-2:0.05-2。

  6.根據權利要求4或5所述的磁性氮摻雜生物炭催化劑的制備方法,其特征在于,步驟(3)中所述的高溫焙燒溫度為300-700℃,焙燒時間為1-6小時。

  說明書

  一種基于污泥的磁性氮摻雜生物炭催化劑及其制備方法

  技術領域

  本發明涉及一種以濃縮污泥、富氮化合物和生物質廢棄物為主要原料制備磁性氮摻雜生物炭催化劑及其制備方法,屬于污泥資源化利用領域和環境修復領域。

  背景技術

  隨著我國經濟社會的發展和污水處理設施的完善,污泥處理處置問題已成為當前最重要的環境問題之一。污泥除含有豐富的有機質、氮、磷元素外,還因處理工藝的不同,含有一定量鐵、鈣、鎂、錳等金屬元素,此外污泥中通常含有很多有害物質,如細菌菌體、有機污染物以及砷、銅、汞、鉻等有毒重金屬,若不及時處理處置,將會對人類活動、生態環境造成巨大危害。傳統污泥處理處置方法有很多,如土地利用、焚燒、衛生填埋、堆肥、投海、建筑材料等,但這些處置對土壤、地下水和空氣均存在潛在的環境風險。從可持續發展角度考慮,亟需探索新的處理處置方法,以最大限度實現污泥重復利用并減少有毒有害殘余物。

  考慮到污泥中含有豐富的有機質和大量的鐵、錳等金屬元素,有機質可作為生物炭的原料,而鐵、錳等過渡金屬元素可以用于氧化劑H2O2、過一硫酸鹽(PMS)等的活化。因此,以污泥為主要原料制備廢氣凈化或污水處理用催化劑已成為現階段污泥研究的一大趨勢,可實現“以廢治廢”。目前以污泥為主要原料制備催化劑并用于難降解有機污染物凈化,主要包括以下三種制備途徑:

  一、污泥高溫焙燒后直接用作催化劑。例如,文獻“Sludge biochar-basedcatalyst for improved pollutant degradation by activating peroxymonosulfate”(J Mater Chem A 6(2018)8978-8985):以城市污水處理廠污泥為原料,經干燥、不同氣氛下高溫焙燒、HCl-水依次洗滌等步驟制得污泥基生物炭,該生物炭與PMS耦合可用于染料(如羅丹明B)和酚類污染物(如苯酚、雙酚A)的催化降解。

  二、以污泥或污泥基生物炭為載體,通過復配金屬元素制得金屬負載污泥催化劑。例如,文獻“Magnetic biochar catalyst derived from biological sludge and ferricsludge using hydrothermal carbonization:Preparation,characterization and itscirculation in Fenton process for dyeing wastewater treatment”(Chemosphere191(2018)64-71),文獻“Radical assisted iron impregnation on preparing sewagesludge derived Fe/carbon as highly stable catalyst for heterogeneous Fentonreaction”(Chem Eng J 352(2018)837-846)和專利“磁性污泥基臭氧催化劑的制備方法及應用”(201310712765.3):通過在城市污泥中復配含鐵污泥或鐵元素,經水熱或高溫焙燒制得磁性含鐵污泥催化劑,并用于染料的催化降解。專利“一種污泥炭基類Fenton催化劑及其制備方法和應用”(201710077309.4)、“一種三元復合材料非均相光Fenton催化劑及其制備和應用”(201810936719.4)、“一種污泥制備非均相光Fenton催化劑方法及催化劑和應用”(201810307989.9)和“一種污泥熱解制備光Fenton催化劑的方法及催化劑和應用”(201810307934.8):以造紙廠或城市污水處理廠污泥高溫焙燒后的生物炭為載體,以鈦、銀、錳、鐵、鉍等金屬元素中的任意一種、兩種或三種作為金屬活性組分,通過超聲混合、干燥、高溫焙燒等處理工藝制備出金屬負載污泥催化劑,可用于非均相光Fenton或類Fenton體系處理難降解有機污染物(如染料、鄰氯苯酚)。

  三、以污泥為載體,通過復配含氮化合物制得氮摻雜污泥催化劑。文獻“Activation of peroxymonosulfate by nitrogen-functionalized sludge carbon forefficient degradation of organic pollutants in water”(Bioresour Technol 241(2017)244-251):首先將城市污水處理廠污泥烘干、磨碎,然后與尿素溶液室溫下混合24小時,經烘干、磨碎、管式爐中氮氣氛下700℃焙燒2小時、HCl-水依次洗滌去除無機雜質等步驟,最終制得氮摻雜污泥基炭催化劑,該催化劑可與PMS耦合用于有機污染物(如染料、苯酚)的催化降解。專利“活化過硫酸鹽深度處理焦化廢水的CoFe2O4/氮摻雜污泥基活性炭催化劑及制備方法”(2019100341795):將焦化廠濃縮污泥首先轉化為污泥基活性炭,而后外加丙烯酰胺作為氮源、鈷和鐵的硝酸鹽作為前軀體,采用高分子網絡凝膠法和馬弗爐煅燒法同時實現污泥基活性炭的氮摻雜和磁性CoFe2O4的均勻負載,制成可磁分離回收的CoFe2O4/氮摻雜污泥基活性炭催化劑。

  由以上論述可見,現有研究中污泥基催化劑主要采用污泥復配金屬元素或氮元素的方法制得,磁性污泥基催化劑主要采用污泥外加鐵、鈷元素或含鐵污泥的方法制得。而以濃縮污泥為主要原料,通過對濃縮污泥中自有鐵元素進行形態轉化實現催化劑磁化,同時在污泥中復配一定量富氮化合物和生物質廢棄物制得磁性氮摻雜生物炭催化劑,則尚未見報道。

  發明內容

  本發明的目的在于提供一種能用于水體中難降解有機物降解和礦化的基于污泥的磁性氮摻雜生物炭催化劑;另一目的在于提供其制備方法。

  為實現本發明目的,技術方案為:以城市生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠產生的濃縮污泥為主要原料,通過在其中復配一定量的富氮化合物和生物質廢棄物,經超聲混合、干燥、球磨、高溫焙燒等處理,制備得到一種新型磁性氮摻雜生物炭催化劑。該催化劑可與氧化劑PMS耦合,高效降解甚至礦化水體中的難降解有機污染物。

  本發明提供的制備方法具體過程為:(1)在坩堝中加入濃縮污泥、富氮化合物、生物質廢棄物,置于超聲清洗器中混合均勻;(2)將步驟(1)所得混合物烘干至重量不變,然后移入球磨機中研磨至50目以下;(3)將步驟(2)所得混合物移入坩堝中,加蓋后置于馬弗爐中,經300-700℃高溫焙燒后自然降至室溫,即得磁性氮摻雜生物炭催化劑。

  所用的主要原料為污泥,來自于城市生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠產生的濃縮污泥,固體含量為1-10%,固體中有機質含量為35-55%,無機灰分主要由鈣、鐵、鋁、硅、錳等元素組成,其中鐵元素含量為2-10%;輔助原料為富氮化合物和生物質廢棄物,其中富氮化合物選自尿素、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲、鹽酸胍中的任意一種,生物質廢棄物選自木屑、稻草、秸稈、樹皮、花生殼中的任意一種;濃縮污泥(以固體計)、富氮化合物和生物質廢棄物的重量比為1:0.05-2:0.05-2。

  本發明提供的應用方法具體過程為:將磁性氮摻雜生物炭催化劑投加于含難降解有機物的水體中,加入一定量的氧化劑過一硫酸鹽(PMS)對有機物進行催化降解和礦化,然后通過簡單磁分離即可實現催化劑的回收利用。所述的難降解有機物為染料(如亞甲基藍、羅丹明)、酚類(如苯酚、雙酚A)、抗生素(如磺胺嘧啶、阿莫西林)中的一種或多種。所述的催化劑加入量為0.1-1g/L,難降解有機物濃度為0.001-0.5mmol/L,PMS加入量為難降解有機物濃度的1-20倍,溶液pH值為1-13。

  本發明的有益效果在于:(1)以城市生活污水處理廠、造紙污水處理廠或工業園區污水處理廠產生的濃縮污泥為主要原料,通過復配一定量價廉、易得的富氮化合物和生物質廢棄物,經混合、干燥、研磨、高溫焙燒等簡單處理制備出高效穩定的催化劑,有效解決污泥處理處置問題,達到“變廢為寶”;(2)本發明提供的催化劑可與氧化劑PMS耦合,高效降解甚至礦化水體中的染料、酚類及抗生素等難降解有機污染物,且通過簡單磁分離即可實現催化劑的回收利用,有效解決了有機物污染水體凈化問題,達到“以廢治廢”;(3)本發明提供的制備方法具有原料來源廣、反應條件溫和、制備成本低、綠色環保等優勢,既回收利用了污水處理廠難處理的污泥和生物質廢棄物,又解決了水體中的難降解有機物污染問題,在污泥資源化利用領域和環境修復領域具有廣闊的應用前景。

相關推薦
項目深度追蹤
數據獨家提供
服務開通便捷 >
和值大小稳赚