污泥活性炭的制备及环境治理的应用范文

摘要：本文主要介绍了污泥活性炭的制备及在污染治理中的应用。着重讨论了油泥、市政污泥等不同污泥来源、微波热解、水热炭化等不同热解工艺、活化剂种类与添加剂对污泥活性炭性能的影响。简述了污泥活性炭在污染治理中的应用，分析了其在不同废水、废气的处理及土壤改良中的应用。同时，本文对污泥活性炭的制备及应用作出展望，即应解决化学活化带来的高成本和二次污染问题；在应用方面，应多开展不同污染物同时吸附的研究。

关键词：污泥活性炭；制备；环境治理；应用

我国大多数行业在治污过程中，污泥的合理有效利用一直是软肋。在污泥的组成中，含碳有机物是污泥的重要的部分，为合理利用污泥中的碳元素，研究人员将污泥转化为有吸附性能的活性炭。同时，污泥来源广、属于待处理污染物，且大量研究表明，污泥制得的活性炭对某些污染物的吸附能力较强，故前景较好。

1污泥活性炭的制备

为达到“以污治污”的目标，研究人员提出将污泥制成活性炭，制备方法的主体是热解或煅烧。活性炭的吸附性能主要受污泥来源、热解工艺、活化剂、添加剂等因素的影响[1]。

1.1污泥来源

不同来源的污泥碳含量不同，碳含量直接决定污泥活性炭的表面结构和吸附性能[2]。其中市政污泥及含油污泥研究相对较多。石油工业产生的含油污泥碳含量高，MOHAMMAD等[3]研究了含油污泥制备活性炭的可行性。此外，邓皓等[4]也成功地将含油污泥制成了比表面积大于2000m2/g活性炭，说明含油污泥制备活性炭前景可观。相对于含油污泥来说，市政污泥制备活性炭的研究更为频繁，且部分研究人员制备的活性炭吸附水中污染物的性能良好。Pan等[5]用消化污泥、化学污泥及二者混合后的污泥制备活性炭，并用三种活性炭和商业活性炭吸附水中有机物质，试验表明，后两种活性炭均有很强的疏水性与去除COD的能力。此外，研究人员也将制革、造纸、纺织业水处理过程产生的污泥制成活性炭。制革污泥中残留的毛皮等物质可作为碳源，经高温热解活化，可制得性能优良的活性炭，其对染料、PAHs的吸附性能良好[6]。造纸污泥含有大量纤维素等有机物，VaniaCalisto等[7]用造纸污泥制备活性炭，并将活性炭用于吸附水中西酞普兰，取得了较好的效果。Kacan等[8]用纺织污水处理过程中的剩余污泥进行炭化活化，所得产物对RSB的吸附量为8.54mg/g。笔者认为今后应开展多种污泥混合制备活性炭的研究，也应探索不同来源污泥制备的活性炭的应用领域。

1.2热解工艺

污泥成炭必须经过热解，不同热解工艺所得的活性炭，性能指标千差万别。传统的热解主要是通过马弗炉等进行一步热解，产物吸附性能较差。因此，研究人员将热解与活化过程分开，形成了两步热解工艺，即先碳化，碳化后样品与活化剂混合共同热解。主要原因是先碳化可去掉污泥中部分灰分，再活化时活化剂能充分与污泥中的碳接触，对碳进行开孔。Kong等[9]用两步活化法制备活性炭，即柠檬酸先活化，ZnCl2后活化，所得活性炭的空隙结构分布均匀，有利于甲苯等难降解有机物的吸附及被吸附物质在活性炭孔道内迁移。微波热解法可在样品内部同时产热，且受热均匀，加热较快，故可缩短制备时间。微波热解包括干燥、热解、碳化三个阶段，三个阶段温度依次升高[10]。袁春燕等[11]用微波热解法制备污泥活性炭，在较低的功率下加热8min，所得的活性炭碘值和比表面积均很理想，活性炭对BF-BR的吸附量达46mg/g。张襄楷等[12]研究表明，升高微波功率可缩短制备时间，当功率仅为400W时，制备时间可缩短至2min，且所得产物脱色率接近100%，远高于商品活性炭(67.2%)。一般的热解法均要求污泥含水率低，但污泥脱水会成本较高，为解决污泥高含水带来的成本问题，部分人员将的水热炭化思想应用于活性炭的制备过程。水热法是在加热过程中将污泥中的水分转变为水蒸汽，通过水蒸气进行活化的活性炭制备技术，该技术充分利用了污泥中的水，固定碳的效果较好，环保节能[13-14]。许多研究表明水热法制备的活性炭微孔发达，故适用于粒径较小的污染物的吸附，如水中的重金属离子。Cakan等[15]通过水热法将葡萄糖制成碳微球，碳微球对水中的Cd2+和Pb2+有较好的吸附能力；AATALO[16]将造纸污泥进行水热炭化制备活性炭，炭产物对Pb2+的吸附试验表明，到达吸附平衡所用时间短，且吸附量大。

1.3活化剂

无论何种热解都是将未活化的污泥直接炭化，直接炭化所得产物的总孔容小和比表面积小，难以直接作吸附剂使用，因此，需要通过活性剂对炭化产物进行活化，提高其性能指标。常见活化剂包括下面三种。

1.3.1物理活化剂

物理活化剂在活化初期，活化气体先与微晶周围及微晶之间残留的焦油反应，非组织碳逐渐被氧化，初步形成类似石墨的微晶表面;石墨微晶的活跃部位的碳进一步与活化剂反应，最终形成气体逸出，微晶的这种反应不断进行，使得原有孔隙扩大，并出现新的孔隙，从而形成活性炭的多孔结构，最终原料表面受到刻蚀并形成大量的孔隙结构而具有巨大的比表面积，高温下将活化气体通入热解炉，污泥与活化剂发生氧化反应，反应产生的气体从污泥内部逸出[17-18]。以上过程可理解为微晶的不断气化使活性炭孔径生成、变大。在制备过程中，活化步骤的各项参数均对活性炭的性能指标有影响。RIO等[19]以高温H2O（气）为活化剂，炭产物对苯酚和铜的吸附量分别为50和80mg/g。

1.3.2化学活化剂

化学活化剂通常在制备前与污泥进行浸渍混合，热解时，高温作用下产生的水蒸气等物质对活性炭进行开孔、扩孔，水蒸气一部分来自于污泥所含的游离水，另一部分则来自于有机物脱出的水分。常用的化学活化剂主要包括KOH、H2SO4、CaCl2、KCr2O4、高锰酸钾等具有腐蚀、氧化作用的化学药品。LI等[20]以ZnCl2活化法制备活性炭，炭产物可作为良好的H2S去除剂。Gu等[21]以Fenton法活化制得的活性炭，其炭产物可较好的从水回收2-萘酚，回收量的最大值为111.9mg/g。

1.3.3复配活化剂

一般来说，复配活化剂是由两种或以上的化学活化剂按一定的浓度、体积比混合而成的一类活化剂。李小川[22]将等摩尔质量的ZnCl2与KOH复配，复配后的活化剂活化效果更为明显，其炭产物对品红的吸附性能强于商品活性炭。此外，部分研究一般按先化学、后物理的活化顺序，将两种活化剂联用。尹炳奎[23]用ZnCl2、CO和水蒸气作为活化剂制备活性炭，在同等条件下，ZnCl2、水蒸气联合活化的活性炭对脱色率接近100%。笔者认为活化剂效果的好坏是相对的，应根据污泥性能、工艺设备以及活性炭的应用领域来选择。目前，在活化剂选择方面缺乏一致的看法，因此，活化剂及其活化机理有待深入研究。

1.4添加剂

影响活性炭性能的指标很多，研究人员通常在制备过程中添加各种物质来改善活性炭的性能，比较常见的有增碳的生物质和起催化作用的过渡金属等。

1.4.1增碳剂

由于污泥的含碳量无法与石油焦等传统活性炭原料相比，故在实际应用中常将污泥与增碳剂混合制备活性炭，以提高活性炭的吸附性能。陶虎春等[24]以甘蔗渣来提高污泥碳含量，制得碘、亚甲基蓝和Pb2+吸附值分别是686.55、131.07、21.54mg/g的活性炭，添加甘蔗渣后，比表面积、碘值、亚甲基蓝值、Pb2+吸附值分别提高约8倍、6倍、2倍和20倍。另外也有塑料作为增碳剂的研究，塑料与污泥在重叠热解温度区间内剧烈反应，改善了污泥活性炭孔隙结构，但其具体应用效果仍处于研究阶段[25]。

1.4.2催化剂

由于污泥中的纤维素、烃类等在热解时难以分解，故热解前在污泥中可适当加入过渡金属（铁、锰、锌等）或其氧化物、氯化物等，催化芳香烃、纤维素等物质的分解，以上物质的分解可在活性炭表面引入羧基等，从而增强活性炭对重金属的络合及对有机物的吸附能力[21]。LIU等[26]研究指出，软锰矿的加入，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质的吸附量；另外，软锰矿使污泥中大分子物质分解彻底，从而使活性炭的碳骨架增多[27]。

2污泥活性炭应用于污染治理

2.1水处理中的应用

污泥活性炭可广泛用于渗滤液、皮革、制药、高含重金属或营养物质等废水的处理。Yang等[28]以硫酸铁为活化剂制得污泥活性炭，所得活性炭可高效的从生物污泥中回收四环素。尹炳奎[23]以制得的活性炭进行水处理试验，结果表明，其对渗滤液的COD和色度有较好的去除效果；对印染废水中GR和TOC去吸附率接近100％。关伟等[29]制得的活性炭对制药废水COD、TOC的最大去除率为分别为78.32%和63.08%。张珂等[30]研究表明，在强酸性时污泥活性炭对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)，吸附量分别为175.4、64.1、30.7、15.4mg/g。高永坤等[32]用造纸污泥制备的活性炭处理低浓度含磷废水，磷去除率为97.81%。

2.2废气处理中的应用

污泥活性炭在废气处理中的应用主要集中于脱硫脱硝、吸附H2S等有毒有害气体，也有关于室内气体净化的报道。Bandos等[33]以碱活化制得活性炭，其H2S吸附量可达30mg/g，且活性炭中引入的碱金属元素可催化H2S的还原。李永民等[34]将MnO2和MgO负载到污泥活性炭上制得烟气脱硫剂，该脱硫剂的脱硫率略高于商业活性炭。Wen等[35]制备的污泥活性炭具有丰富的多孔结构和表面官能团，其对甲醛的吸附能力优于商业活性炭。Canals等[36]制得的活性炭可较好地去除空气中的NH3，NH3的吸附量达19.1mg/g。

2.3土壤修复中的应用

污泥活性炭修复被污染土壤的方式为：先吸附，后降解。在这个过程中，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进行降解。活性炭为驯化后的微生物提供有利的生存条件，减轻微生物的竞争作用[37]和不利条件的伤害，以提高驯化后微生物的存活率和降解污染物的效率。李刚等[38]以市政污泥为原料制得污泥活性炭，将活性炭用于改良重金属污染的土壤，改良后土壤重金属含量达到了农用二级标准，该研究为污泥活性炭用于土壤修复提供范例。

3总结与展望

从环境治理、废物利用角度来说，污泥活性炭基本达到了环境友好型活性炭的标准。目前所展开的工作主要是提升特定物质的吸附能力、活化剂的选择及工艺参数的优化，未来需要努力的方向如下：解决化学活化剂带来的高成本和二次污染问题，开发出新型的活化剂。更多地开展多种污染物同步吸附的研究，如多种重金属离子、重金属离子与难降解有机物等地吸附，并探究吸附机理。

作者：杜明明；卢聪；王凤超；屈撑囤；李金玲 单位：西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室