优化制备污泥基活性炭工艺

1、优化制备污泥基活性炭工艺1引言污水厂的剩余污泥由有机物和无机物组成，其中，有机物含量约为60%70%其干基挥发分较高、固定碳含量较低，经碳化活化处理，可转化为具有一定吸附性能的活性炭这种转化不仅可降低污泥的含量，而且可获得比商品活性炭更经济的吸附剂，实现污泥的资源化利用因此，污泥已被确定为一种极具开发前景的吸附剂前躯体材料，而这种资源化方法也 越来越受到人们的重视目前，相关研究的热点是制备方法及吸附齐U选择性的优化，其中， 对于制备工艺参数的优化是该方法能否实现商业化生产的关键因素之一污泥基活性炭制备工艺可以分为物理活化法、化学活化法、物理化学活化法其中，物理化学活化法是前两种活化方式的联合使

2、用，兼备两者的优点，该工艺中影响产品吸附性能的主要参数包括：活化剂种类及固液比、炭化温度、炭化时间、活化温度、活化时间、活化 气体流量等然而，目前的研究大多局限在单因素或正交试验上，难以确定在物理化学活化 制备工艺过程中各工艺参数之间存在的交互影响.而响应曲面法(Response SurfaceMethodology , RSM则可以利用合理的因素实验设计(Design of Experiment , DOE),将多因素实验中因素与水平的相互关系用多项式进行拟合，精确地描述因素与响应值之间的关系， 是解决多变量问题的统计学方法.相比传统的数理统计方法，RSM能以较少的实验次数和较短的时间对所选

3、的实验参数进行全面研究，得出正确结论，并从图形分析中寻求最优实验考察因素值，其优越性已为越来越多的实验工作者所关注，并已应用到环境污染处理的多个领域.为探讨污泥基活性炭活化工艺过程中各工艺参数之间的关系，并有效提高其吸附性能， 本研究以延安市污水处理厂二次污泥为原料，采用氯化锌为活化剂进行物理化学活化制备活性炭，并通过基于中心复合设计(Central Composite Design, CCD的响应曲面法，以活性炭的碘吸附值为考察指标，考察炭化温度、升温速率、炭化时间和保护气体流量等影响因素 之间的相关性，优化制备活性炭的工艺条件，并对制得的活性炭样品进行微观表征分析.2材料与方法2.1污泥基

4、活性炭制备实验所采用的原料为延安市污水处理厂二沉池脱水污泥，经自然晾干至含水率低于10%研磨破碎过140目筛，再将干污泥粉末置于烘箱中于105 C条件下干燥至恒重；称取烘干后的污泥粉末 10 g与5 mol 2 L-1的ZnCl2溶液混合(固液比1 : 2.5 g 2 L-1)静 置12h，然后将活化脱水后的污泥样品置于管式加热炉并分别在不同的炭化温度、升温速 率、炭化时间和氮气流量工艺参数下活化污泥；活化结束后将样品倒入盐酸水溶液(体积比10%)中，再将试样用60 C热水多次漂洗至洗涤液的pH值为67，以除去溶酸杂质、重金属及残留活化剂；样品干燥冷却后即得污泥基活性炭成品.按GB/T1224

5、96.8 1999木质活性炭试验方法碘吸附值的测定中规定的方法测量不同条件下所得成品的碘吸附值(lodi neNumbers, IN)，所有实验均为两组平行样.2.2中心复合实验设计一定范围的炭化温度和升温速率有利于增加碘吸附值，过高或过低的炭化时间及保护气体流量会影响活性炭成品的性在课题组之前的单因子实验基础上，利用Minitab15软件设计出由16个全因子、8个轴向点、2个立方体的中心点和 3个轴点中心点组成的 29次试验 的中心复合设计，每个轴点距中心的距离a为默认值2.0，中 心复合设计各因素及水平设置如表1所示.实验中碘吸附值的响应值可以通过如下二阶模型公式描述：tkk- k儿+工0

6、泌：+ I工线扎為（I）i 1i Ij I 1式中，Y为污泥基活性炭成品的碘吸附值响应值 ；3 0、3 i、3 ii和B ij分别为拟合公 式的常数项、线性项、二次项和交互项系数；Xi、Xj代表各因素水平的编码值， 即炭化温度、 升温速率、炭化时间和保护气体流量 表1中心复合设计各因素及水平设置各水平取值宇112-2-10J2Xi4505Q055Q600650升温速辜X3niin1ia15202530炭化时间min1020304050保护气体谎里mL min1002003004005002.3污泥基活性炭结构表征对污泥基活性炭制备前、 后的样品进行比表面积（BET）、扫描电镜（SEM）、能谱分

7、析（EDS）、 X射线衍射（XRD）微观表征及红外光谱分析（FT-IR）,观察在优化活化条件下样品的微观结构 及变化、微区化学组成和官能团构成2.4主要实验仪器污泥样品炭化活化加热利用管式加热炉（SK-3.5-12，北京电炉厂）进行;样品活化前、后的微观形态学变化及能谱分析通过SEM-EDS（Hitachi S-4800 , 15 kV，日本）观察;结构变化分析通过XRD（Shimdzu, CuKa , k=1.5418，日本）完成.红外光谱分析通过IR200型傅立叶 测定仪，采用溴化钾压片法测定完成.3结果与讨论3.1模型拟合按照试验设计实测和软件计算的碘吸附值分别为303.9658.1 m

8、g 2 g-1和312.4654.1 mg 2 g-1（表2）.由表3的碘吸附值回归系数计算值可知：炭化温度、升温速率、炭化时间和保护气体流量均对污泥基活性炭的碘吸附值有显著线性和二次项(非线性)影响，升温速率和炭化时间存在交互作用影响；4个因素对污泥基活性炭的碘吸附值都有显著影响，其中，升温速率和炭化时间这两个因素相对影响更大，而用多项次回归模型描述实验测量碘吸附值数据较为合适，式(2)为碘吸附值的响应值多项次拟合公式，其可决系数为0.966，说明模型的拟合性较高.IN 二- 3555.49()+ IL472X1 + S2. 291A； + 8. 956.V, +2.986A4 - 0. O

9、J1A/ - 2. 36O.Y? - 0+ 355Aytj192697.5752.5440 023XzXt11.8817.5751.5600139-13.3567.575*17630.100決：才衷不极显著，严0叽1；壊示显著，0.001p0.05,另外，由污泥基活性炭碘吸附值的预测值与实测值对比图1和拟合公式(3)可知，碘吸附值的预测值Y与实测值X很接近，具有较高的线性关系(R2=0.9656)，表明模型的可信度较高30(14005d06007C0o UIIII14u U 0 曲 5 4 37ull、i=窘逼闿第图1污泥基活性炭碘吸附值实测值与模型预测值Y = I7J43 + 0.965X(3)表4为多项式模型方差分析（ANOVA结果，由表可知，污泥基活性炭碘吸附值的模型精 确度分析中，模型 F值为28.08，p值为0.000（p 0.01），表明该模型精确度高，模拟结果可信表4二次多项模型方差分析类型自由度平方和均方唯异苦度回归14360974257839280B0.000线性416477741194.444.87Q.Q0Q平方41