一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法
阅读说明：本技术 一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法 (Method for preparing activated carbon by taking black and odorous water body bottom mud as raw material ) 是由 林志 左静 秦丰林 沈霞 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法,包括以下具体步骤：制备底泥初级活性炭、制备初级活化炭、制备次级活化炭、制备次级底泥活化炭和制备底泥活化炭。本发明中底泥活性炭经过多次活化可有效提高其比表面积、孔隙度以及吸附性能。(The invention discloses a method for preparing activated carbon by taking black and odorous water body bottom mud as a raw material, which comprises the following specific steps: preparing primary activated carbon of the bottom mud, preparing primary activated carbon, preparing secondary activated carbon of the bottom mud and preparing activated carbon of the bottom mud. The bottom sludge activated carbon can effectively improve the specific surface area, porosity and adsorption performance after being activated for many times.)
技术领域
本发明属于水环境治理技术领域，具体涉及一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法。
背景技术
黑臭水体整治是当今水环境治理最热门的问题，也是最难处理的环境难题。城市黑臭水体产生的恶臭气味和不好的感官体验直接影响附近居民的正常生产生活，底泥中的氮磷营养物质、耗氧性物质、重金属和难降解有机污染物等的释放造成二次污染问题是导致水体难以治理的主要原因。
将黑臭底泥制备为活性炭，可有助于底泥减量化和无害化，提高其经济价值与社会价值，现有污泥活性炭制备方法主要包括热解、化学活化和物理化学活化法。专利CN106560236A中公开了具有连续孔径分布特征的污水处理用污泥活性炭及其制备方法，污泥活性炭比表面积平均400~450m2/g，孔径0.5~50nm连续分布，污泥与复配活化剂水溶液混合均匀并浸泡，加入粘结剂成型，制备成型原料，在氮气中予以炭化，并向反应体系中通入水蒸气和氮气的混合气体，在反应完成后停止通入水蒸气和氮气的混合气体，并持续向反应体系中通入氮气，自然冷却，洗至中性，该方法制备的污泥活性炭活性碘吸附值和比表面积都较低。鉴于此，有必要对传统的污泥活性炭制备方法做出改进。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法，包括以下具体步骤：
S1、制备底泥初级活性炭：将黑臭底泥脱水至含水率低于60%，在105℃下干燥6~8h，与农业废弃物混合，在N2保护下，300℃炭化1h，随后在650~700℃下炭化1h，通入CO2，得到底泥初级活性炭；
S2、制备初级活化炭：将底泥初级活性炭粉碎、过60~100目筛，加入活化剂，浸渍18~24h，得到初级活化炭；
S3、制备次级活化炭：将初级活化炭离心、过滤，在105℃下干燥3h后，在800~900℃高温下热解氧化活化1~2h，得到次级活化炭；
S4、制备次级底泥活化炭：在次级活化炭中加入3mol/L氢氟酸，在80℃条件恒温下振荡2h，进行脱灰处理，得到脱灰炭，脱灰炭用蒸馏水洗至中性，去除多余水溶性离子，得到次级底泥活性炭；
S5、制备底泥活化炭：将次级底泥活性炭加入至Fe2+和Fe3+混合溶液中，磁力搅拌30min，水浴70℃，逐滴加入强碱性溶液，反应1h，水洗至上清液呈中性，60℃烘干得到最终底泥活性炭。
优选地，前述步骤S1中，农业废弃物为小麦秸秆、玉米秸秆、稻草、玉米芯、竹屑、果壳、麦糠、花生壳、椰壳、甘蔗渣、木屑、树枝和黄麻废料中的一种或几种。
再优选地，前述步骤S1中，农业废弃物的直径为0.2~2 cm，长度为0.5~2 cm。
更优选地，前述步骤S1中，干燥后黑臭底泥和农业废弃物的质量比为（1：3）~（1：5）。
进一步优选地，前述步骤S1中，650~700℃炭化过程中，升温速率为15~20℃/min。
具体地，前述步骤S2中，活化剂为K2CO3、H3PO4和(NH4)2PO4中的一种，浓度为2~3mol/L。
优选地，前述步骤S2中，底泥初级活性炭和活化剂的质量比为1：（1~3）。
再优选地，前述步骤S5中，Fe2+和Fe3+混合溶液为FeSO4和FeCl3的混合溶液， FeSO4与FeCl3的摩尔比为（1：2）~（1：3）。
更优选地，前述步骤S5中，Fe2+和Fe3+混合溶液与次级底泥活性炭的质量比为（3~5）：1。
本发明的有益之处在于：
（1）本发明中添加农林废弃物颗粒，可以加速底泥炭化速率，提高了炭化效果和含碳量，形成了碳骨架，且提高了底泥生物质炭的比表面积和孔隙度，同时也降低了炭化过程中的能耗和炭化成本；
（2）本发明在炭化过程中通入CO2，完成初步活化，底泥炭再浸润活化剂，完成第二次活化，通过两次活化提高了活性炭的孔隙度和比表面积，有效提高了吸附性能，再通过浸润FeSO4和FeCl3对活性炭进行第三次活化，经过多次活化可有效提高活性炭的比表面积、孔隙度以及吸附性能，所得的底泥活性炭碘吸附值高于1000mg/g。
附图说明
图1是本发明实施例1中得到的底泥活性炭的SEM图；
图2是本发明实施例2中得到的底泥活性炭的SEM图；
图3是本发明实施例3中得到的底泥活性炭的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1
一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法，包括以下具体步骤：
S1、制备底泥初级活性炭：将黑臭底泥脱水至含水率低于60%，在105℃下干燥6~8h，与农业废弃物小麦秸秆混合，干燥后黑臭底泥和小麦秸秆的质量比为1：3，小麦秸秆的直径为0.2~2 cm，长度为0.5~2 cm，在N2保护下，300℃炭化1h，随后在650~700℃下炭化1h，炭化过程中升温速率为15~20℃/min，通入CO2，得到底泥初级活性炭；
S2、制备初级活化炭：将底泥初级活性炭粉碎、过60目筛，加入浓度为2~3mol/L的活化剂K2CO3，底泥初级活性炭和活化剂的质量比为1：1，浸渍20h，得到初级活化炭；
S3、制备次级活化炭：将初级活化炭离心、过滤，在105℃下干燥3h后，在800~900℃高温下热解氧化活化1~2h，得到次级活化炭；
S4、制备次级底泥活化炭：在次级活化炭中加入3mol/L氢氟酸，在80℃条件恒温下振荡2h，进行脱灰处理，得到脱灰炭，脱灰炭用蒸馏水洗至中性，去除多余水溶性离子，得到次级底泥活性炭；
S5、制备底泥活化炭：将次级底泥活性炭加入至0.1mol/L 的FeSO4和FeCl3的混合溶液中，其中Fe2+和Fe3+混合溶液与次级底泥活性炭的质量比为3：1，FeSO4与FeCl3的摩尔比为（1：2）~（1：3），磁力搅拌30min，水浴70℃，逐滴加入30mL 浓度为2mol/L的 NaOH溶液，反应1h，水洗至上清液呈中性，60℃烘干得到最终底泥活性炭。
实施例2
一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法，包括以下具体步骤：
S1、制备底泥初级活性炭：将黑臭底泥脱水至含水率低于60%，在105℃下干燥8h，与农业废弃物竹屑混合，干燥后黑臭底泥和竹屑的质量比为1：4，竹屑直径为0.2~2 cm，长度为0.5~2 cm，在N2保护下，300℃炭化1h，随后在650~700℃下炭化1h，炭化过程中升温速率为15~20℃/min，通入CO2，得到底泥初级活性炭；
S2、制备初级活化炭：将底泥初级活性炭粉碎、过80目筛，加入浓度为2~3mol/L的活化剂H3PO4，底泥初级活性炭和活化剂的质量比为1：2，浸渍18h，得到初级活化炭；
S3、制备次级活化炭：将初级活化炭离心、过滤，在105℃下干燥3h后，在800~900℃高温下热解氧化活化1~2h，得到次级活化炭；
S4、制备次级底泥活化炭：在次级活化炭中加入3mol/L氢氟酸，在80℃条件恒温下振荡2h，进行脱灰处理，得到脱灰炭，脱灰炭用蒸馏水洗至中性，去除多余水溶性离子，得到次级底泥活性炭；
S5、制备底泥活化炭：将次级底泥活性炭加入至0.1mol/L 的FeSO4和FeCl3的混合溶液中，其中Fe2+和Fe3+混合溶液与次级底泥活性炭的质量比为4：1，FeSO4与FeCl3的摩尔比为（1：2）~（1：3），磁力搅拌30min，水浴70℃，逐滴加入30mL 浓度为2mol/L的 NaOH溶液，反应1h，水洗至上清液呈中性，60℃烘干得到最终底泥活性炭。
实施例3
一种以黑臭水体底泥为原料制备活性炭的方法，包括以下具体步骤：
S1、制备底泥初级活性炭：将黑臭底泥脱水至含水率低于60%，在105℃下干燥6~8h，与农业废弃物树枝混合，干燥后黑臭底泥和树枝的质量比为1：5，树枝直径为0.2~2 cm，长度为0.5~2 cm，在N2保护下，300℃炭化1h，随后在650~700℃下炭化1h，炭化过程中升温速率为15~20℃/min，通入CO2，得到底泥初级活性炭；
S2、制备初级活化炭：将底泥初级活性炭粉碎、过100目筛，加入浓度为2~3mol/L的活化剂(NH4)2PO4，底泥初级活性炭和活化剂的质量比为1：3，浸渍20h，得到初级活化炭；
S3、制备次级活化炭：将初级活化炭离心、过滤，在105℃下干燥3h后，在800~900℃高温下热解氧化活化1~2h，得到次级活化炭；
S4、制备次级底泥活化炭：在次级活化炭中加入3mol/L氢氟酸，在80℃条件恒温下振荡2h，进行脱灰处理，得到脱灰炭，脱灰炭用蒸馏水洗至中性，去除多余水溶性离子，得到次级底泥活性炭；
S5、制备底泥活化炭：将次级底泥活性炭加入至0.1mol/L 的FeSO4和FeCl3的混合溶液中，其中Fe2+和Fe3+混合溶液与次级底泥活性炭的质量比为5：1，FeSO4与FeCl3的摩尔比为（1：2）~（1：3），磁力搅拌30min，水浴70℃，逐滴加入30mL 浓度为2mol/L的 NaOH溶液，反应1h，水洗至上清液呈中性，60℃烘干得到最终底泥活性炭。
性能检测试验
（1）对实施例1~3中得到的底泥活性炭分别用SEM电镜扫描，电镜图见图1~图3，通过图1~图3可以看出，制备的底泥活性炭具备孔隙结构，有效提高了活化炭的吸附性能。
（2）对实施例1~3中得到的底泥活性炭和对比例（市售的普通活性炭）分别进行性质测定，测定结果见表1。
表1 活性炭样品性质测定
通过表1可以看出，与对比例相比，实施例1~3中制备的底泥活性炭具有较高的碘吸附值、比表面积和孔体积，可有效提高活性炭的吸附性能。
（3）采集四份黑臭水1L，分别添加20g实施例1~3和对比例（市售的普通活性炭）中的活性炭，检测其中的溶解氧含量、氨氮含量和化学需氧量，检测结果见表2。
表2 黑臭水经活性炭吸附后各指标
通过表2可以看出，与对比例相比，实施例1~3中制备的底泥活性炭可有效降低黑臭水体中的化学需氧量和氨氮含量，且提高了水体中的溶解氧含量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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