[發明專利]剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭及其光催化改性方法

在審

• 申請號: 202011288506.9
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112387269A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 陳熙;張冉;徐新陽;趙冰;李海波;黃宇;范廣建
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B01J23/06;B01J35/00;B01J35/10;B01J37/08;C02F1/30;C02F101/30
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 寧佳

本發明的剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭及其光催化改性方法，步驟為:剩余污泥和榛子殼烘干破碎按比例混合后加入碳酸鉀溶液，浸泡烘干，真空熱解后依次采用稀鹽酸、去離子水洗滌，烘干后得到生物炭。將氯化鋅溶解于去離子水中，攪拌條件下加入相應量氫氧化鈉，完全溶解加入生物炭，將所制溶液置于玻璃瓶中在密閉條件下恒溫靜置至反應完全，冷至室溫獲得納米ZnO復合生物炭材料。本發明將剩余污泥與含有大量有機質的榛子殼進行混合熱解制備生物炭，結合碳酸鉀溶液浸泡的活化造孔方法，使熱解過程更易發生，與直接焚燒、熱解及添加玉米秸稈等農作物熱解方式相比，更有助于形成產量高、比表面積大、孔隙度良好并且具有光催化性能的生物炭產品。

技術領域：

本發明屬于污泥處理工藝及光催化技術領域，具體涉及一種剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭及其光催化改性方法。

背景技術：

城市污水處理廠剩余污泥具有有機質含量高并富集大量的碳元素的特點，在一定的溫度下進行熱解處理，可以對污泥進行無害化、減量化處理，剩余固態殘渣能有效保留其中的碳元素，形成具有高附加值的可燃氣、液態焦油、生物炭產物。同時污泥中的微量重金屬元素在高溫熱解中轉變為特殊結構殘渣態，呈惰性，不能被生物所吸收利用，也不能通過食物鏈在人體內積累，是最安全的重金屬形態。

生物炭通常是指在相對較低的溫度(300-700℃)和絕氧條件下由生物質熱解產生的富含碳的高度芳香化物質，其中含有60％以上的有機質，以及O、H、N、S和少量微量元素，其主要功能包括以下幾個方面：(1)固碳作用：生物炭可在土壤中保存幾百年至幾千年，是穩定的碳固定載體，可將不穩定碳轉化為芳香性碳骨架封存于土壤中。因此，生物炭可抑制溫室氣體的排放，減輕溫室效應；(2)土壤改良：生物炭表面含有氮、磷、鉀等植物生長所需營養元素，添加于土壤中可改善土壤的理化性質，進而提高農作物產量，補充土壤的有機物含量，還可以有效地保存水分和養分，提高土壤肥力；(3)吸附效應：生物炭富含微孔結構，有很強的吸附能力，可用作吸附劑去除污水、大氣中污染物；(4)生物能源：在制備生物炭的過程中還可獲得如輕質油、可燃氣等生物質能源及化學品，節省化石能源，降低化石原料的碳排放。

隨著科學技術的發展，對剩余污泥的處理方式主要有以下五種：濕式氧化、污泥焚燒、氣化、直接熱解、加入玉米秸稈熱解。

濕式氧化技術是指在一定溫度和壓力下用純氧或者空氣為氧化劑，使污泥中的有機成分在水相中發生熱降解、水解、氧化，最終轉化為一氧化碳、水和氮氣等的化學過程。污泥濕式氧化具有反應快、反應時間短、有機物脫除率高，可實現能量回收等優點，適用于處理各種難降解有毒的有機污泥。濕式氧化技術要在高溫高壓的條件下進行，因而設備的運行和維修費用大，適用于大、中型污水處理廠。

污泥焚燒技術是指在一定溫度、氣相充分有氧的條件下，使污泥中的有機質發生燃燒反應，使有機質轉化為一氧化碳、水和氮氣等物質，反應過程中釋放的熱量則維持反應的溫度條件，使處理過程得以持續進行。焚燒技術對污染物處理徹底，可除去污泥中水分，殺滅所有病菌、病原體，氧化分解有毒有害的有機殘余物，并且可利用污泥中儲存的能量，污泥焚燒后的炭渣可生產水泥等建筑材料。污泥中的有害成分在焚燒過程中會形成二次污染物，如重金屬煙霧、二氧化硫、氮氧化物等污染物。

污泥氣化技術是指在一定的溫度、壓力條件下，以空氣、氧氣或者水蒸氣作為氣化劑，在還原性氣氛下將污泥中有機成分轉化為含有氫氣、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等成分的清潔可燃氣體、焦油和灰渣的過程。污泥氣化的影響因素眾多，主要有氣化溫度、反應時間、氣化劑、空氣當量比、催化劑、污水處理工藝和氣化床類型等。

污泥直接熱解技術是指污泥在常壓惰性氣氛中熱分解使所含的有機質轉變成碳氫化合物，最終產物為焦油、熱解氣和炭，部分產物燃燒可作前置干燥與熱解的熱源，剩余能量以油的形式回收。

加入玉米秸稈熱解可增加生物炭的比表面積，優化孔隙結構，但玉米秸稈中的揮發分含量較大，在熱解過程中的質量損失較多，生物炭的產率降低。