一种改性污泥基生物炭吸附材料及其制备方法和应用

本发明涉及污水处理，尤其涉及一种改性污泥基生物炭吸附材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、抗生素作为一种治疗人类或动物传染病的药物，可以抑制病原菌的生长和繁殖。然而，大量抗生素使用后可以通过城市污水的排放、畜牧业及水产养殖废水的排放等各种途径进入自然水体和土壤环境，其广泛传播可能导致细菌的基因突变，使细菌携带抗生素抗性基因增殖，进而导致耐药细菌的出现，威胁人类生命健康安全。

2、由于抗生素对细菌的毒性作用，其在污水生物处理过程中的去除性能较差。目前，膜分离、高级氧化、吸附等一系列物化处理工艺已被用于去除水中抗生素。吸附由于其经济成本低、操作简单和绿色安全的优点而被广泛应用。在各种吸附材料中，生物炭是一种新型的功能材料，具有良好的吸附性能和经济优势。

3、剩余污泥是污水生物处理过程中的主要副产品，由于污泥中含有许多有害物质，如病原微生物、重金属和难以生物降解的有毒有机物，对不断增加的污泥进行安全有效的处理处置至关重要。在过去数十年，各种污泥处理技术得到了长足发展，其中污泥热解制备生物炭是一种很有前途的处理方法。这是因为干污泥含有大量有机物，通过热解将碳固定在生物炭中来实现碳还原。污泥基生物炭已被广泛研究用于吸附去除各种污染物，如染料、重金属和抗生素等。污泥基生物炭对污染物的吸附效果取决于许多因素，包括比表面积、孔隙结构、表面官能团和吸附位点数量等。这些特性与污泥性质和制备条件有关，虽然原始污泥基生物炭往往存在孔隙结构不发达、吸附容量较低的缺陷，但其吸附能力可以通过活化和改性来增强。有效利用污泥基生物炭去除废水中的抗生素将是一种极具潜力的可持续污泥处理策略，可以实现污泥资源化利用和污染物去除的双重目的。

4、常规改性方法需通过繁复的工艺流程或添加昂贵的负载材料来提升污泥基生物炭的吸附性能；例如有的改性方法采用镁铁或磷酸对污泥基生物炭进行改性，需要先热解得到污泥基生物炭，然后通过浸渍、煅烧、高温活化等步骤实现镁铁或磷酸改性，操作复杂；还有的改性方法采用氯化锌对污泥生物炭进行改性，氯化锌价格相对较高，造成改性污泥基生物炭的成本增加。

5、综上所述，目前亟需提供一种制备方法简单、成本低、吸附性能好的改性污泥基生物炭。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种改性污泥基生物炭吸附材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法步骤简单，成本低，且所得改性污泥生物炭吸附性能优异。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种改性污泥基生物炭吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将剩余污泥粉末、氯化钙和水混合后干燥，得到混合物；

5、将所述混合物进行热解，得到热解产物；

6、将所述热解产物在盐酸溶液中浸泡后进行清洗和干燥，得到所述改性污泥基生物炭吸附材料。

7、优选的，所述剩余污泥粉末和氯化钙的质量比为10:(5～15)；所述氯化钙和水的质量比为(5～15):100。

8、优选的，所述剩余污泥粉末的制备方法包括：将剩余污泥干燥后进行粉碎和过筛，得到剩余污泥粉末。

9、优选的，所述剩余污泥粉末、氯化钙和水混合的温度为50～70℃，混合时间为1.5～2.5h。

10、优选的，所述热解的温度为550～650℃，保温时间为1.5～2.5h，升温至所述热解的温度的升温速率为5～15℃/min；所述热解的气氛为氮气。

11、优选的，所述盐酸溶液的浓度为0.5～1.5mol/l，所述浸泡的时间为1.5～2.5h，所述浸泡在搅拌条件下进行。

12、本发明还提供了上述方案所述制备方法制备的改性污泥基生物炭吸附材料。

13、本发明还提供了上述方案所述的改性污泥基生物炭吸附材料在处理含抗生素污水中的应用。

14、具体的，所述抗生素为磺胺甲恶唑。

15、优选的，所述含抗生素污水中抗生素的浓度为1～50mg/l；所述含抗生素污水的ph值为2～12；所述改性污泥基生物炭吸附材料的投加量为0.1～4g/l。

16、本发明提供了一种改性污泥基生物炭吸附材料的制备方法，包括以下步骤：将剩余污泥粉末、氯化钙和水混合后干燥，得到混合物；将所述混合物进行热解，得到热解产物；将所述热解产物在盐酸溶液中浸泡后进行清洗和干燥，得到所述改性污泥基生物炭吸附材料。本发明以剩余污泥为原料，采用cacl2一步改性共热解法制备了改性污泥基生物炭吸附材料，制备方法简单、生产成本较低，可同步实现污泥资源化利用与水中污染物高效去除；并且，本发明制备的改性污泥基生物炭吸附材料具有较大的比表面积和丰富的介孔结构，可通过孔隙填充、静电吸引等相互作用吸附去除水中磺胺甲恶唑等新污染物；与原始污泥基生物炭、常规活性炭相比，本发明制备的改性污泥基生物炭吸附材料具有更快的吸附速率、更大的吸附容量和更强的稳定性，在不同ph、不同初始浓度下均能保持较高的吸附性能，有效提高了水中抗生素的去除率。

17、实施例结果表明，本发明制备的改性污泥基生物炭吸附材料比表面积达到145.55m2/g，孔容达到0.3015cm3/g，对水中磺胺甲恶唑等新污染物具有较高的去除率和较快的吸附速率，在宽ph范围(2～8)和不同浓度磺胺甲恶唑(1～50mg/l)条件下均表现出较强的去除性能，在中性条件下吸附容量达20.18mg/g，相比传统炭基吸附材料提升70％以上。

技术特征：

1.一种改性污泥基生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述剩余污泥粉末和氯化钙的质量比为10:(5～15)；所述氯化钙和水的质量比为(5～15):100。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述剩余污泥粉末的制备方法包括：将剩余污泥干燥后进行粉碎和过筛，得到剩余污泥粉末。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述剩余污泥粉末、氯化钙和水混合的温度为50～70℃，混合时间为1.5～2.5h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热解的温度为550～650℃，保温时间为1.5～2.5h，升温至所述热解的温度的升温速率为5～15℃/min；所述热解的气氛为氮气。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为0.5～1.5mol/l，所述浸泡的时间为1.5～2.5h，所述浸泡在搅拌条件下进行。

7.权利要求1～6任意一项所述制备方法制备的改性污泥基生物炭吸附材料。

8.权利要求7所述的改性污泥基生物炭吸附材料在处理含抗生素污水中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述抗生素为磺胺甲恶唑。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述含抗生素污水中抗生素的浓度为1～50mg/l；所述含抗生素污水的ph值为2～12；所述改性污泥基生物炭吸附材料的投加量为0.1～4g/l。

技术总结本发明涉及污水处理技术领域，提供了一种改性污泥基生物炭吸附材料及其制备方法。本发明以剩余污泥为原料，采用氯化钙一步改性共热解法制备了改性污泥基生物炭吸附材料，该吸附材料比表面积大，介孔结构丰富，吸附速率快，吸附容量大，稳定性强，在宽pH范围(2～8)和不同浓度磺胺甲恶唑(1～50mg/L)条件下均表现出较强的去除性能，在中性条件下吸附容量达20.18mg/g，相比传统炭基吸附材料提升70％以上。综上，本发明以污水处理厂产生的剩余污泥为原料，通过氯化钙改性制备污泥基生物炭，可以显著提高生物炭的吸附性能，同时实现污泥资源化利用的目的。技术研发人员：朱亮,蒋彬彬,魏乐成,徐向阳受保护的技术使用者：浙江大学长三角智慧绿洲创新中心技术研发日：技术公布日：2024/9/29