申請日2014.09.02

　　公開(公告)日2015.01.07

　　IPC分類號B01J20/20; C02F1/28; B01J20/30

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種提高污泥生物炭比表面積的方法及系統(tǒng)，將干燥后的污泥與破碎后的聚苯乙烯廢塑料按比例進行攪拌混合并加熱，使聚苯乙烯廢塑料在污泥中實現(xiàn)熔融縮體并相對均勻附著在污泥顆粒表面，然后直接壓制成型;將壓制成型后的污泥顆粒送入熱解炭化系統(tǒng)進行炭化處理，可獲得良好孔隙結(jié)構(gòu)的污泥熱解生物炭。本發(fā)明的優(yōu)點在于：利用聚苯乙烯廢塑料來提高污泥熱解生物炭比表面積，與同等條件下污泥單獨熱解生物炭相比，所得的熱解生物炭比表面積可增加100～400%，本發(fā)明制備的生物炭過渡孔向內(nèi)部延伸，液相擴散性能優(yōu)越,提高了其對大分子有機物的吸附性能，大大提升了污泥生物炭的利用價值。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其特征在于實現(xiàn)步驟包括：

　　(1)將聚苯乙烯廢塑料進行破碎處理;

　　(2)將污水廠機械脫水產(chǎn)生的污泥進行干燥處理;

　　(3)將干燥后的污泥與破碎后的聚苯乙烯廢塑料進行攪拌混合并加熱，使聚苯乙烯廢塑料在污泥中實現(xiàn)熔融縮體并相對均勻附著在污泥顆粒表面，然后直接壓制成型;

　　(4)將壓制成型后的污泥顆粒送入熱解炭化系統(tǒng)進行炭化處理，獲得良好孔隙結(jié)構(gòu)高比表面積的污泥生物炭。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其特征在于：步驟(1)中的聚苯乙烯廢塑料包括工業(yè)聚苯乙烯廢塑料與民用聚苯乙烯廢塑料，其中廢塑料破碎粒度<2cm。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其特征在于：步驟(2)中的污泥干燥處理后含水率 <40%，干燥方式可以是直接干燥或間接干燥。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其特征在于：步驟(3)中的聚苯乙烯廢塑料占混合物的質(zhì)量比控制為10～60%，加熱溫度控制為100℃～180℃，混合時間控制為3～15 min， 加熱方式為間接加熱;污泥與聚苯乙烯廢塑料混合物壓制成型，成型形狀為圓球型、圓柱形或橢圓型，粒徑控制為3mm～35mm。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其特征在于：步驟(4)中的熱解炭化系統(tǒng)為固定床式、移動床式或回轉(zhuǎn)窯式炭化爐。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其制備的污泥生物炭可用作生物炭肥料或水處理吸附劑，也可以進一步活化處理后制備高性能污泥活性炭。

　　7.一種提高污泥生物炭比表面積方法的系統(tǒng)，其特征在于：主要由輸送裝置、破碎裝置、緩沖料倉、定量給料裝置、加熱混合裝置、成型制粒裝置以及熱解炭化系統(tǒng)組成，其中

　　1#輸送裝置出口與破碎裝置入口連接，破碎裝置出口與2#輸送裝置入口連接，2#輸送裝置出口與緩沖料倉入口連接，緩沖料倉出口與定量給料裝置入口連接，前述1#輸送裝置、破碎裝置、2#輸送裝置、緩沖料倉及定量給料裝置形成聚苯乙烯廢塑料輸送線，其中的定量給料裝置出口與加熱混合裝置入口連接;

　　3#輸送裝置出口與干燥裝置入口連接，干燥裝置出口與4#輸送裝置入口連接，前述3#輸送裝置、干燥裝置及4#輸送裝置形成污泥輸送線，其中4#輸送裝置出口與加熱混合裝置入口連接;

　　加熱混合裝置出口與成型制粒裝置入口相連，成型制粒裝置出口與5#輸送裝置入口連接，5#輸送裝置出口與熱解炭化系統(tǒng)入口連接。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種提高污泥生物炭比表面積方法的系統(tǒng)，其特征在于：所述的1#輸送裝置為皮帶輸送機或板式輸送機;2#輸送裝置為皮帶輸送機、刮板輸送機、斗提機、拉鏈機或螺旋輸送機;3#輸送裝置與4#輸送裝置為皮帶輸送機、螺旋輸送機或刮板輸送機;5#輸送裝置為皮帶輸送機;所述的定量給料裝置為螺旋給料機、星形給料機或振動給料機。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種提高污泥生物炭比表面積方法的系統(tǒng)，其特征在于：所述的破碎裝置為普通塑料剪切式破碎機;干燥裝置可以是回轉(zhuǎn)窯式干燥機、水熱法脫水反應(yīng)釜、流化床干燥機、真空干燥機或圓盤式干燥機。

　　10.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種提高污泥生物炭比表面積方法的系統(tǒng)，其特征在于：所述的加熱混合裝置為外熱式回轉(zhuǎn)窯或外熱式固定床攪拌混合機;成型制粒裝置可以為對輥成型機或擠出造粒機。

　　說明書

　　一種提高污泥生物炭比表面積的方法及系統(tǒng)

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明公開一種提高污泥生物炭比表面積的方法及系統(tǒng)，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于污泥資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及利用污泥與聚苯乙烯廢塑料混合制備高比表面積的污泥生物炭。

　　背景技術(shù)

　　近年來，由于污泥熱解生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境中的巨大應(yīng)用前景和對土壤碳的增匯減排作用，使其成為土壤學和環(huán)境科學的研究熱點。國內(nèi)外研究表明:生物炭含有大量植物所需的營養(yǎng)元素，可以促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)和植物的生長;生物炭一般呈堿性，施用生物炭可以降低土壤的酸度和有毒元素含量，如鋁和重金屬對植物的毒性;生物炭表面含有豐富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能團，它們產(chǎn)生的表面負電荷使生物炭具有較高的陽離子交換量(CEC)，施用后可以提高土壤的CEC;生物炭對農(nóng)藥等有機污染物和重金屬等有很強的吸附能力，可用于污染土壤的修復(fù);生物炭具有高度的孔隙結(jié)構(gòu)，可以增加土壤的空隙度和保水能力，降低土壤容重，有利植物根系生長;又因其具有較高的化學和生物學穩(wěn)定性，較強的抵抗微生物分解的能力，增強了土壤的固碳作用，減少二氧化碳向大氣的再釋放。此外，如果將生物炭，用于吸附廢水中的有機物及營養(yǎng)元素N、P、K等也將是一個污泥資源化利用的良好途徑。鑒于具有以上諸多優(yōu)點，生物炭被稱為“黑色黃金”。

　　我國城市污泥水污泥含有大量有機質(zhì)和纖維木質(zhì)素等，碳含量高，是制備生物炭的廉價原料。但由于污泥中灰份含量高，成份復(fù)雜，熱解產(chǎn)生的生物炭比表面積較低，影響了污泥生物炭的使用性能。為改善污泥生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)，提高比表面積，眾多研究者進行了探索，主要集中于兩方面，一是在熱解炭化過程中添加化學試劑，如雙氧水、堿金屬、ZnCl2等，如專利CN101974359A等;二是將熱解生物炭進一步進行物理活化或化學活化，以獲得良好的孔隙結(jié)構(gòu)與吸附性能，如專利CN1644495A、CN103495399A和CN102936012A等。上述工藝方案普遍存在流程復(fù)雜、易造成環(huán)境二次污染等不足，而且對于低端應(yīng)用領(lǐng)域的生物炭而言制造成本偏高。

　　另一方面，當今社會，塑料制品已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，聚苯乙烯作為4 大通用塑料之一，其生產(chǎn)量和消費量呈逐年上升趨勢。聚苯乙烯作為一種高分子材料，具有毒性較低、熔點較高、可塑性強、生產(chǎn)簡便等特點，是制備一次性快餐盒的首選材料。然而，由于聚苯乙烯制造的餐盒降解周期極長，在普通環(huán)境下，它的降解周期長達200年左右，在漫長時間里，依然保持高分子形態(tài)不變。因此，難以降解的一次性塑料餐盒正是造成“白色污染”的一大元兇。傳統(tǒng)處理聚苯乙烯廢塑料的方法主要是填埋法和焚燒法，但由此易造成占用耕地、污染水源及排放大量有毒廢氣等一系列問題。因此，研究聚苯乙烯廢塑料的回收利用具有十分重要的意義。目前，有關(guān)污泥結(jié)合聚苯乙烯制備生物炭的內(nèi)容國內(nèi)外鮮有研究與報道。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　針對現(xiàn)有污泥熱解制備生物炭處理工藝的不足，本發(fā)明提出了一種提高污泥熱解生物炭比表面積的方法及系統(tǒng)，利用聚苯乙烯廢塑料來解決污泥熱解炭比表面積較小，孔隙結(jié)構(gòu)差的問題，同時實現(xiàn)提高污泥生物炭比表面積和處理聚苯乙烯廢塑料的雙重目標。

　　為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

　　一種提高污泥生物炭比表面積的方法，其實現(xiàn)步驟包括：

　　(1)將聚苯乙烯廢塑料進行破碎處理;

　　(2)將污水廠機械脫水產(chǎn)生的污泥進行干燥處理;

　　(3)將干燥后的污泥與破碎后的聚苯乙烯廢塑料按比例進行攪拌混合并加熱，使聚苯乙烯廢塑料在污泥中實現(xiàn)熔融縮體并相對均勻附著在污泥顆粒表面，然后直接壓制成型;

　　(4)將壓制成型后的污泥顆粒送入熱解炭化系統(tǒng)進行炭化處理，獲得良好孔隙結(jié)構(gòu)的污泥生物炭。

　　步驟(1)中的聚苯乙烯廢塑料可以包括工業(yè)聚苯乙烯廢塑料與民用聚苯乙烯廢塑料，尤其適用于城市生活垃圾中的泡沫快餐盒等廢塑料;廢塑料破碎粒度<2cm。

　　步驟(2)中的污泥干燥處理后含水率 <40%，干燥方式可以是直接干燥或間接干燥。

　　步驟(3)中的聚苯乙烯廢塑料占混合物的質(zhì)量比控制為10～60%，加熱溫度控制為100℃～180℃，混合時間控制為3～15 min， 加熱方式為間接加熱;混合物直接壓制成型，成型形狀為圓球型、圓柱形或橢圓型，粒徑控制為3mm～35mm。

　　步驟(4)中的熱解炭化系統(tǒng)為現(xiàn)有污泥熱解炭化系統(tǒng)，不需要做任何改造。

　　前述制備的污泥生物炭具有較多的過渡孔向內(nèi)部延伸，液相擴散性能優(yōu)越，所述污泥生物炭用作生物炭肥料或水處理吸附劑，也可以進一步活化處理后制備高性能污泥活性炭。

　　一種提高污泥生物炭比表面積方法的系統(tǒng)，主要由輸送裝置、破碎裝置、緩沖料倉、定量給料裝置、加熱混合裝置、成型制粒裝置以及熱解炭化系統(tǒng)組成，其中

　　1#輸送裝置出口與破碎裝置入口連接，破碎裝置出口與2#輸送裝置入口連接，2#輸送裝置出口與緩沖料倉入口連接，緩沖料倉出口與定量給料裝置入口連接，前述1#輸送裝置、破碎裝置、2#輸送裝置、緩沖料倉及定量給料裝置形成聚苯乙烯廢塑料輸送線，其中的定量給料裝置出口與加熱混合裝置入口連接;

　　3#輸送裝置出口與干燥裝置入口連接，干燥裝置出口與4#輸送裝置入口連接，前述3#輸送裝置、干燥裝置及4#輸送裝置形成污泥輸送線，其中4#輸送裝置出口與加熱混合裝置入口連接;

　　加熱混合裝置出口與成型制粒裝置入口相連，成型制粒裝置出口與5#輸送裝置入口連接，5#輸送裝置出口與熱解炭化系統(tǒng)入口連接。

　　進一步，所述的1#輸送裝置為皮帶輸送機或板式輸送機;2#輸送裝置為皮帶輸送機、刮板輸送機、斗提機、拉鏈機或螺旋輸送機;3#輸送裝置與4#輸送裝置為皮帶輸送機、螺旋輸送機或刮板輸送機;5#輸送裝置為皮帶輸送機;所述的定量給料裝置為螺旋給料機、星形給料機或振動給料機。

　　進一步，所述的破碎裝置為普通塑料剪切式破碎機;干燥裝置可以是回轉(zhuǎn)窯式干燥機、水熱法脫水反應(yīng)釜、流態(tài)化干燥機、真空干燥機或圓盤式干燥機。

　　進一步，所述的加熱混合裝置為外熱式回轉(zhuǎn)窯、外熱式固定床攪拌混合機;成型制粒裝置可以為對輥成型機或擠出造粒機。

　　本發(fā)明的優(yōu)點在于：利用聚苯乙烯廢塑料來提高污泥熱解生物炭比表面積，與同等條件下污泥單獨熱解生物炭相比，所得的熱解生物炭比表面積可增加100～400%;而且，制備的生物炭過渡孔向內(nèi)部延伸，液相擴散性能優(yōu)越, 提高了其對大分子有機物的吸附性能，大大提升了污泥生物炭的利用價值。本發(fā)明工藝簡單實用，投資少，成本低，具有良好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。