市政污泥热解制备生物炭实验研究

生物炭是有机物质在缺氧或贫氧气氛下经热裂解过程产生的固体产物^[1]目前对生物炭的研究兴趣源于对亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的认识,亚马逊盆地黑土含有丰富的生物炭,多年耕种后,仍保持持久肥力^[2].研究表明,生物炭是稳定的碳载体,在土壤中可保持长达百年至千年之久,土壤中施用生物炭可提高土壤中有机碳以及腐殖质含量,从而提高土壤的养分吸持容量及持水容量^[3-4].     

磁化改性污泥基生物炭对水中磷的吸附

为提高市政污泥生物炭对水中磷的吸附,将市政污泥在700℃下制备的热解生物炭(BC700)用FeCl3溶液进行磁化改性,制备磁性生物炭(MBC700),表征改性生物炭的组成、官能团分布和表面性质,考察其对典型水中磷的吸附效果和脱附后重复利用性.结果 表明,改性后铁氧化物已成功负载在生物炭的表面和孔隙中.在温度25℃、pH...     

污泥衍生生物炭研究进展

介绍了污泥处理处置的现状,分析了污泥热解工艺以及其他工艺的优缺点,说明了污泥热解污泥衍生生物炭制备过程的影响因素。重点综述了污泥衍生生物炭在污泥物催化降解、电化学储能和转化等全新领域的潜在应用,讨论了污泥中无机小分子和金属氧化物等成分对生物炭功能特性的影响。最后提出了污泥衍生生物炭实际应用所面临的问题,并对未来作出展望。     

热解温度对污泥生物炭稳定性及养分淋溶特性影响

以市政污泥为原料,在300、500、700 ℃ 条件下热解制备得到污泥生物炭。采用碱液吸收法测定生物炭在培养环境下的CO₂释放速率以表征其降解速率,并采用预测模型计算得到生物炭的半衰期。以去离子水为浸提剂考察了生物炭中可溶性养分含量及其淋溶特性。结果表明:在300~700℃范围内,较高温度下制备的生物炭降解缓慢,稳定性更强,可在自然环境中长期存在,具有更好的固碳效果;较低温度下制备的生物炭中水溶性氮、水溶性钾含量更高,但水溶性磷含量更低;生物炭中养分的淋溶效果与其可溶性养分含量一致,较低温度下制备的生物炭的淋溶液中水溶性氮、水溶性钾含量较高,水溶性磷含量较低。     

硫酸钙/污泥基生物炭对水中铅的吸附性能研究

将硫酸钙作为添加剂与污泥共热解制备硫酸钙/污泥基生物炭(SBC),并使用BET、SEM、FTIR和XRD表征,研究了其对Pb~(2+)的吸附去除特性。结果表明,硫酸钙已负载在生物炭表面并对去除Pb~(2+)有促进作用。当温度为25℃,初始pH为5,SBC投加量为0.4 g/L,吸附时间为240 min时,Pb~(2+)去除率可达99.69%。Langmuir等温吸附模型能更好地描述SBC对Pb~(2+)的吸附过程,最大吸附量为280.899 mg/g;SBC对Pb~(2+)的吸附更符合准二级动力学模型,该吸附过程可能以化学吸附为主;热力学分析表明SBC对Pb~(2+)的吸附是自发的吸热过程,升温有利于吸附。     

脱水污泥-松木共热解生物炭的制备及吸附性能

以脱水污泥(含水率80%)和松木的混合物为原料共热解制备生物炭。研究了松木掺混比、热解温度对生物炭产率和BET比表面积(SBET)的影响,采用元素分析、工业分析和扫描电镜比较了单独热解及共热解生物炭的元素组成和表面形貌。结果表明,生物炭产率随着松木掺混比的增加而提高,随着热解温度的升高而下降。2种原料共热解存在明显的协同效果:松木提高了生物炭的碳元素含量,污泥的水分具有一定的活化作用,生物炭表面粗糙程度增加、SBET扩大。当松木掺混比为60%、热解温度为750℃时,生物炭SBET达到最高的213.4 m2/g。此外,生物炭对水中苯酚的吸附符合准二级动力学,等温吸附过程能用Freundlich模型描述。     

热解时间对污泥生物炭活化过硫酸盐的影响研究

污泥热解制备生物炭是一种污泥有效处理处置与资源化利用方法。通过控制热解时间,调控污泥生物炭表面的活性位点,改变过一硫酸盐（PMS）体系中的活性物种组成,可实现环丙沙星（CIP）的高效降解。研究发现,热解温度为700℃、热解时间为120 min时,污泥生物炭具有较高的PMS活化性能,对CIP的去除率近90%。机理探究表明,¹O₂在体系中发挥主要作用。C==O、吡咯氮和—OH位点有利于¹O₂产生,C—O、吡啶氮、晶格氧和Fe位点促进·OH和SO₄^·-释放,石墨氮可促进PMS活化产生SO₄^·-。     

玉米秸秆生物炭对铅离子的等温吸附特征研究

选用采自沈阳的玉米秸秆,采用控温热分解法,在400℃下制备生物炭。在不同温度(298.15,308.15,318.15,328.15 K)、不同pH(3,4,5,6)、不同浓度的Ca~(2+)离子(0.002 5,0.005,0.01,0.02 mmol/L)的条件下进行实验,使用Langmuir、Freundlich和D-R等温方程分别对等温吸附实验数据进行拟合,并讨论吸附机理。结果表明,玉米秸秆生物质炭在不同温度下更好地符合Langmuir模式(R~2=0.989 1~0.995 6)。由Langmuir模式中的a值可以得出,随温度的升高,吸附量增加;在不同pH值下玉米秸秆生物质炭对铅离子的吸附等温式同样可以使用Langmuir模式(R~2=0.989 9~0.999 6)进行表征。而且,随pH的降低,吸附量减少;在不同Ca~(2+)离子浓度下,可用Langmuir等温吸附式拟合(R~2=0.986 6~0.996 0)。通过Langmuir等温吸附式推算出的最大吸附量随Ca~(2+)离子浓度的增加而减少。     

城市污泥厌氧发酵残渣热解制备生物炭及其氮磷吸附研究

以污泥发酵前后的残渣热解制备生物炭,考察发酵前后污泥生物炭的物理性能及其对氨氮、总磷的吸附能力。实验结果表明污泥发酵有利于生物炭孔隙结构的发展,污泥发酵后制备的生物炭(FSBC)比表面积、孔体积均高于未发酵污泥制备的生物炭(SBC)。吸附实验结果表明,对于磷酸盐的吸附,3种材料吸附能力大小为 FSBC > SBC > CAC,对于氨氮的吸附,吸附能力顺序为CAC > FSBC > SBC,污泥发酵后制备的生物炭对氨氮和总磷的吸附能力较未发酵污泥生物炭明显增强。对于实际废水中氮、磷的吸附,其去除率顺序均为CAC > FSBC > SBC,其中CAC和FSBC对总磷的去除率分别为31%和27%,对氨氮的去除率则分别为7%和4%。FSBC与CAC对总磷和氨氮的去除率相差不大。FSBC作为污泥资源化得到的低成本吸附剂,有广阔的研究前景。     

玉米秸秆生物炭对铅离子的等温吸附特征研究

选用采自沈阳的玉米秸秆,采用控温热分解法,在400℃下制备生物炭。在不同温度(298.15,308.15,318.15,328.15 K)、不同pH(3,4,5,6)、不同浓度的Ca⁽²⁺⁾离子(0.002 5,0.005,0.01,0.02 mmol/L)的条件下进行实验,使用Langmuir、Freundlich和D-R等温方程分别对等温吸附实验数据进行拟合,并讨论吸附机理。结果表明,玉米秸秆生物质炭在不同温度下更好地符合Langmuir模式(R(2+)离子(0.002 5,0.005,0.01,0.02 mmol/L)的条件下进行实验,使用Langmuir、Freundlich和D-R等温方程分别对等温吸附实验数据进行拟合,并讨论吸附机理。结果表明,玉米秸秆生物质炭在不同温度下更好地符合Langmuir模式(R²=0.989 12=0.989 1⁰.995 6)。由Langmuir模式中的a值可以得出,随温度的升高,吸附量增加;在不同pH值下玉米秸秆生物质炭对铅离子的吸附等温式同样可以使用Langmuir模式(R0.995 6)。由Langmuir模式中的a值可以得出,随温度的升高,吸附量增加;在不同pH值下玉米秸秆生物质炭对铅离子的吸附等温式同样可以使用Langmuir模式(R²=0.989 92=0.989 9⁰.999 6)进行表征。而且,随pH的降低,吸附量减少;在不同Ca0.999 6)进行表征。而且,随pH的降低,吸附量减少;在不同Ca⁽²⁺⁾离子浓度下,可用Langmuir等温吸附式拟合(R(2+)离子浓度下,可用Langmuir等温吸附式拟合(R²=0.986 62=0.986 6⁰.996 0)。通过Langmuir等温吸附式推算出的最大吸附量随Ca0.996 0)。通过Langmuir等温吸附式推算出的最大吸附量随Ca⁽²⁺⁾离子浓度的增加而减少。     

热解温度对山地城市污泥生物炭吸附Cu(Ⅱ)及其固碳作用的影响

由我国典型山地城市重庆的某污水厂污泥热解制备生物炭。使用X射线衍射、X射线荧光和傅里叶变换红外光谱等对产物进行了物性测定,评价了热解温度对生物炭吸附Cu(Ⅱ)、碳保留率(Y_C)、固定碳产率(Y_FC)和热稳定性的影响。结果表明,热解温度低于300℃时,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附能力差异较小;高于300℃时,随热解温度升高,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附能力降低。由于生物炭中的灰分以SiO₂为主,并不影响生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附,其吸附机理主要受含氧官能团和比表面积的制约。此外,Y_FC比单独使用Y_C或热稳定性更能综合衡量生物炭固碳作用。热解温度为300℃时,生物炭的Y_FC值最大,固碳效果最佳。因此,从对Cu(Ⅱ)的吸附能力和固碳效果两方面考虑,山地城市污泥制备生物炭的热解温度为300℃。     

市政污泥生物质炭在废水吸附处理中的应用

随着经济全球化的飞速发展,城市污水处理中排放的污泥量日益增加,预计到2025年我国市政污泥年产量将超过9000万吨。市政污泥中含有的病原微生物、有机物及重金属,会对环境和人体健康造成严重危害。污泥衍生的生物炭材料因其较大的比表面积、优良的孔隙结构以及丰富的含氧基团,被广泛应用于废水吸附处理领域,实现了固体废物再利用和去除污染的双重目的,做到以废治废,达到生态与发展的双赢。本文系统总结了污泥生物质炭的制备及改性方法、综述了其对废水中重金属、染料、无机盐、抗生素、酚类等的应用及其吸附机理,指出未来污泥生物炭的发展方向和需攻克的难题,努力形成绿色低碳的资源化处理体系。     

污泥-玉米秸秆热解制生物炭及其对Pb~(2+)的吸附特性

开展了脱水污泥单独热解及其与玉米秸秆共热解(泥秆质量分别为9∶1,8∶2,5∶5)制备生物炭吸附剂的研究。采用元素分析、扫描电镜和比表面积仪对4种生物炭的理化特性及微观形貌进行了全面分析。结果表明,在相同热解温度下,随着玉米秸秆掺杂量的增加,生物炭产率及灰分含量降低,全碳含量增加,pH值略有下降,生物炭比表面积和总孔体积增大,棒状残焦分布量增多,孔结构更加发达。生物炭对Pb⁽²⁺⁾的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程分为快反应和慢反应两个阶段,吸附实验前10 min的吸附量达到饱和吸附量的80%以上。Dubinin-A模型较好地描述了生物炭对Pb(2+)的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程分为快反应和慢反应两个阶段,吸附实验前10 min的吸附量达到饱和吸附量的80%以上。Dubinin-A模型较好地描述了生物炭对Pb⁽²⁺⁾的等温吸附行为,4种生物炭对Pb(2+)的等温吸附行为,4种生物炭对Pb⁽²⁺⁾的饱和吸附量大小依次为:SSMT50%(44. 8 mg/g)> SS-MT20%(38. 1 mg/g)> SS-MT10%(30. 7 mg/g)> SS(21. 7 mg/g),表明污泥-玉米秸秆生物炭有作为重金属Pb吸附剂的潜力。     

市政污泥的高温热解处理及产物特性研究

针对我国市政污泥资源化处理处置的发展需求,本文针对市政污泥的高温热解处理及其热解产物特性开展实验研究。通过分析不同来源的市政污泥的水分、可燃分和灰分以及热失重特性,发现不同的预脱水工艺对市政污泥中有机组分含量影响较为明显。而通过污泥高温（600～900℃）热解实验,发现热解温度对于三相产物产率、热解气组分的影响显著,且产物中热解气富含高附加值的合成气（占比达到60.5%～81.5%）,表明市政污泥高温热解处理具有较好的资源化技术优势。     

污泥生物炭对偶氮染料的吸附性能研究

在剩余污泥中添加花生壳粉,进行热解制备生物炭,用于偶氮染料的吸附。考察了投加量和pH对直接黄R和直接橙S的脱色率的影响。结果表明,生物炭对直接黄R和直接橙S的适宜投加量分别为10 g/L和6.4 g/L,pH<5的酸性条件有利于吸附的进行,pH=3.7时,直接黄R的脱色率81%,直接橙S的脱色率89%。污泥生物炭对直接黄R和直接橙S的吸附均符合伪二级动力学模型,颗粒内扩散传质阻力是吸附过程的主要限速步骤,但不是唯一的限速步骤。     

污泥生物炭对水中对氯硝基苯的吸附性能研究

对氯硝基苯(p-CNB)是一种难降解的有机污染物,具有“三致”效应。对污泥制备污泥生物炭吸附p-CNB模拟废水进行了研究,探究了污泥生物炭热解温度、污泥生物炭投加量、模拟废水初始pH、水中常见阴阳离子、腐殖酸以及污泥生物炭重复使用次数对p-CNB吸附的影响,并探究了吸附动力学、吸附等温线和吸附机理。结果表明,污泥生物炭对p-CNB有较好的吸附去除效果和循环使用性;初始pH和水中常见阴阳离子对WB700吸附p-CNB几乎没有影响,但随着腐殖酸浓度的增加,去除率逐渐降低;WB700对p-CNB的吸附符合准二级吸附动力学和Langmuir模型,吸附机理主要为氢键和π-πEDA互相作用。     

污泥生物炭对偶氮染料的吸附性能研究

在剩余污泥中添加花生壳粉,进行热解制备生物炭,用于偶氮染料的吸附。考察了投加量和pH对直接黄R和直接橙S的脱色率的影响。结果表明,生物炭对直接黄R和直接橙S的适宜投加量分别为10 g/L和6.4 g/L,pH5的酸性条件有利于吸附的进行,pH=3.7时,直接黄R的脱色率81%,直接橙S的脱色率89%。污泥生物炭对直接黄R和直接橙S的吸附均符合伪二级动力学模型,颗粒内扩散传质阻力是吸附过程的主要限速步骤,但不是唯一的限速步骤。     

城市污泥生物炭的制备及应用研究进展

综述了我国城市污泥的处理现状,为了实现城市污泥的资源化利用,比较分析了制备城市污泥生物炭的三种方法(常规热裂解法、微波热解法和水热炭化法)的优缺点,结合污泥生物炭的理化性质特征,研讨了污泥生物炭在土壤改良剂、储能材料、吸附材料以及催化剂等领域的应用研究现状,以期为污泥生物炭的应用前景奠定理论基础。最后对污泥生物炭未来的研究方向以及可能应对的挑战做出了展望。     

水合氧化锆改性污泥生物炭对磷酸盐的吸附特性研究

将剩余污泥在 600 ℃下热处理得到污泥生物炭（SBC）,以 SBC为载体通过一步共沉淀法制得新型水合氧化锆改性污泥生物炭（SBC-Zr）,对其进行了表征,并研究了其对磷酸盐的吸附行为。表征结果表明,该吸附剂成功负载水合氧化锆,比表面积为 183.03 m²/g,孔容为 0.07 cm³/g。吸附实验结果表明：SBC-Zr 在 pH=2 时获得较高吸附量;随着投加量的减少,吸附量逐渐减小;SO₄^2-对吸附性能影响较 Cl^-、NO₃^-以及腐殖酸（HA）明显;准二级动力学模型能更好地拟合吸附动力学数据,且吸附过程较好地符合 Langmuir 等温吸附模型;SBC-Zr 吸附磷酸盐的机理包括静电吸引和磷酸盐取代表面 O-H 基团形成内层配合物。应用其处理实际含磷污水,可将磷酸盐浓度从 1.30 mg/L 降低到0.36 mg/L。     

Fe浸渍污泥生物炭对含Cd(Ⅱ)废水的吸附性能研究

通过城市污泥热解制备污泥生物炭(BC),采用FeCl_3溶液浸渍污泥生物炭后制备出磁性污泥生物炭(MBC),对比了BC与MBC去除水溶液中Cd(Ⅱ)的能力。考察溶液初始pH、吸附时间、吸附温度以及Cd(Ⅱ)初始浓度对BC和MBC去除Cd(Ⅱ)效果的影响。结果表明,BC和MBC均符合拟二级动力学吸附模型;Langmuir吸附等温模型能够更好地描述BC和MBC去除Cd(Ⅱ)的过程。在溶液初始pH为6.0,生物炭投加量为10 mg,Cd(Ⅱ)质量浓度为10～150 mg/L的溶液25 mL,吸附时间为360 min,温度为25℃的最佳条件下,BC和MBC对Cd(Ⅱ)最大的吸附量分别为76.93 mg/g和167.42 mg/g。经过5次吸附解吸试验,MBC的Cd(Ⅱ)去除率保持在90%以上,BC的Cd(Ⅱ)去除率在55%左右,说明MBC具有更好应用于去除含Cd(Ⅱ)废水的能力。