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H3PO4活化污泥活性炭性能表征分析目录摘要IAbstractII引 言1第1章 绪 论21.1活性炭概述21.2活性炭表征研究进展21.3活性炭表征研究意义4第2章 实验方法52.1污泥活性炭制备52.2 实验仪器52.3污泥活性炭表征分析内容52.3.1电子扫描电镜52.3.2比表面及孔径分析52.3.3热重分析5第3章 实验结果分析63.1电子扫描电镜分析63.2比表面分析和孔径分布73.2.1比表面积分析73.2.2孔径分布83.3热重分析9结 论11致 谢12参考文献13H3PO4活化污活性炭性能表征分析摘要：本实验以安阳某水务有限公司剩余污泥为主要原料，用磷酸作为活化剂，在活化温度450、固液比1：2.25、活化时间50min、磷酸浓度40%的最佳条件下制备出活性炭。以此条件下制备的活性炭为研究对象，通过电子扫描电镜、热重分析仪和比表面积与孔隙分析仪对原污泥及污泥活性炭进行表征。经研究分析得出结果，该活性炭的表面粗糙不平，具有丰富的孔结构；在热重分析仪中升温到800，其质量损失只有10%；该活性炭比表面积大约为28.1139m2/g，平均孔径为15.6343nm，总孔容为0.1098cm3/g.，其主要孔类型为中孔和大孔，易吸附大分子杂质。关键词：磷酸活化法 剩余污泥 污泥活性炭 表征分析Characterization and Analysis of Activated Carbon from Activated Sludge of H3PO4Abstract: In this experiment, activated sludge was prepared under the optimum conditions of activation temperature 450 , solid-liquid ratio 1: 2.25, activation time 50min and phosphoric acid concentration of 40% with phosphoric acid as the activator as the main raw material of Anyang Water Co., Ltd. as the main raw material The The activated sludge was prepared by this method. The raw sludge and activated sludge were characterized by electron scanning electron microscopy, thermogravimetric analyzer and specific surface area and pore analyzer. The results show that the surface of the activated carbon is rough and has abundant pore structure. The mass loss of the activated carbon is only 10%; the specific surface area of the activated carbon is about 28.1139 m2/g, the average Pore size of 15.6343nm, the total pore volume of 0.1098 cm3/g, The main hole type for the hole and large holes, easy to adsorb macromolecular impurities.Key words: phosphoric acid activation method;excess sludge;sludge activated carbon;char-acterization analysisII引 言近年来，污水处理厂处理效率越来越高，随之污泥的产生量也逐渐增加，而1998 年我国就已经把废水处理的污泥加入了国家危险废物名录1。可是污泥处理技术却还有待提升、处理工艺也相对落后，并不能满足环境标准的要求，大量的处理污泥随意的外运、简单的掩埋或堆集处理，逐渐造成了“污泥围城”的问题。所以对污泥的资源化利用是当前处理污泥的一个发展方向，而污泥的处置方面的问题，如今已演化为了公众的环保问题2。城市污水厂剩余的污泥中还含有很多有害的物质，如果处理的方法不恰当，也会引发环境污染3。但同时城市污水厂剩余的活性污泥中也含有很多的可利用的有机物质，而利用一些化学工艺处理后，能制备成活性炭。这样一来，不但能够解决关于污泥处理处置的环境问题，同时也诠释了污泥的资源化利用这一理念4。活性炭具有很多优点，其比表面积相对来说一般都很大，另外其孔结构也是高度发达的，这些就造就了活性炭很强的吸附能力。活性炭是一种微晶质碳，如果用污泥来制作活性炭，再把它应用在污水处理中来吸附有害物质，这样就会拥有良好的环境收益和经济收益。另外，活性炭的性能使其在环境治理方面、化学工业方面、食品工业方面等也都具有广泛的应用5。而判断活性炭性能的好坏就需要对活性炭进行表征分析。本课题主要研究以磷酸活化活性污泥制备的活性炭性能及其表征进行分析。第1章 绪 论1.1活性炭概述活性炭作为良好的吸附剂材料，其吸附能力一般很强并且还有很高的催化性能，原料来源广并且其安全性也较高，活性炭在工业方面可用来对原料废气或有毒、有害气体进行净化吸附，活性炭同时也具有耐酸碱、耐高温、不溶于水和有机溶剂、容易再生等优点，而对苯类化合物及石油产品等能够溶在水中的污染环境的有机物质也具有比较强的吸附力，活性炭及其产品也可应用在水体净化和抽油烟机等方面进行改良开发，在这些方面活性炭有极其宽广的应用市场。另外，活性炭还可用于人们平常的生活中，比如：蔬果和食物保鲜、卷烟过滤嘴等方面。活性炭本身也是一种催化剂，可以作为催化剂使用。关于活性炭，国内外也曾进行了活性炭改变土壤类型方面的实验。把活性炭、农药和化肥融合到一起来施用可以升高地面温度，提高土壤的容水量，改善土壤透气性，可以延长农药效果和肥料效果，来增加农业产量。普通活性炭的灰分较高，孔容也相对来说较小，同时其比表面积也不大，从而导致其吸附选择性能相对较差，并不能满足国内外市场的需求。所以，可以对活性炭结构和性质进行改良，来增大它的吸附能力。目前，改性活性炭已经被广泛用于污水处理方面，在水环境污染治理方面也越来越表现出美好的发展前景6。活性炭也可应用于城市污水方面处理，城市污水中的一些有机物是很难被微生物氧化分解的，而经一般处理后并不能达到水体中较严格的排放要求，对废弃水的回收和再利用有很大的影响，固此需要对其进行更深层次的处理。正因为活性炭对有机物具有比较大的吸附能力，所以在对废水进行深度处理这一方面活性炭的使用范围还是相当广泛的。总的来说，活性炭的一系列性能优点使其在很多方面都具有良好的应用前景。而改性后的活性炭材料在脱硫、脱硝等方面也具有良好的效果，其制作投资的成本比较小，且容易再生和利用等特性也引起人们的重视7。1.2活性炭表征研究进展目前，污泥活性炭的研究还主要在城市污水、染料废水和NO2、H2S 等方面，而关于污泥活性炭表征方面的报道还很少8。活性炭拥有比较强的吸附能力，这是因为活性炭的比表面积相对比较大并且其内部还拥有比较丰富的孔结构，同时活性炭孔径的分布的不同也会影响活性炭吸附不同杂质污染物的能力大小9。资料表明，活性炭的比表面积越大，它的吸附能力就越强，但是，在平常生活的使用中，由于活性炭的孔隙大小不同，就有大孔、中孔和微孔的区分，但是某些吸附物的大小使其只能从部分合适的孔进入，所以用总表面积来衡量活性炭的吸附性能并不太准确，具有一定的局限性。可以说活性炭对有机物的吸附能力的强弱还决定于活性炭的孔隙结构10。活性炭的铬吸附值受活性炭的比表面积和孔隙结构影响很大，可以作为表征活性炭吸附性能的常用指标之一。近年来，关于污泥活性炭的研究尚未工业化应用，且很少见表征活性炭性能的报道。但其实也已经有一批学者已经进行了该方面的研究。为了加强污泥活性炭性能方面的推广和应用。本文用自己制备的污泥活性炭为研究对象，对磷酸活化的污泥活性炭的结构形貌和性能进行研究，来为活性炭工业化的应用提供科学理论依据。张晓雪和王欣11等利用沙柳，采用磷酸活化法制备的活性炭样品表面形成了大量形状大小均一的孔隙结构，并且形成了较稳定的石墨微晶结构。谢新苹和孟中磊12等用桉树木屑作为原料，H3PO4为活化剂，探讨了H3PO4浓度、酸泥比、活化温度和活化时间等四个因素对制得的活性炭吸附性能的影响。蒋剑春和孙康13等以剑麻纤维废弃物为原料，磷酸法活化制备了高吸附性能活性炭，通过比表面积分析仪、热重分析仪以及电子扫描电镜对制备的活性炭进行表征。得出结论，影响活性炭的吸附性能重要性活化温度大于活化时间大于磷酸浓度大于酸泥比。孙利红和杨再福14等用加拿大一枝黄花为原料，通过添加磷酸活化剂制作活性炭，电子显微镜扫描可以看到制得的活性炭表面的孔结构形态、大小各不相同，红外光谱分析得出活性炭主要的官能团为羟基。张利波和彭金辉15等以烟草杆为原料，以H3PO4为活化剂制作出了活性炭，用电子显微镜对制备的活性炭的结构进行了扫描，得出活性炭中具有一定含量的微孔、中孔和大孔。聂培星和徐建辉16等以污水厂产生的剩余污泥为原材料，通过微波热解并添加磷酸活化剂的方法制备出污泥活性炭，其表面孔结构多为不规则的多孔，孔径也相对比较大。李立清和梁鑫17等研究酸改性活性炭表明：活性炭吸附能力的好坏与活性炭的表面官能团有关，该活性炭经酸性改良，其吸附能力有明显增强。张伟和杨柳等选用磷酸-微波热解法制备污泥活性炭。得到的污泥活性炭的比表面积相比较于原污泥的比表面积有显著的提高。刘羽18和侯庆林18等以延安市污水处理厂剩余污泥为原料制备的污泥活性炭，表面粗糙，整体呈现不规则的多孔结构，活化化温度和活化剂浓度等因素对污泥活性炭铬的吸附和污泥活性炭的产量都有较大影响。刘斌和杨继亮19等选用梧桐枯叶作为原料以磷酸为活化剂制得的活性炭，从比表面积和孔容等方面进行分析，结果表明该活性炭符合商业活性炭的标准，属于中孔比较发达的活性炭。李勇和张琦20等用南疆区域盛产的巴旦杏核壳作为原材料，制备了巴旦杏核壳活性炭。借用物理吸附仪、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射（XRD）等测量方式探讨了其表征。得到结论该活性炭的晶体类型大都以非晶态为主。 综上所述，使用磷酸活化污泥制备活性炭，要注意磷酸的含量，酸泥比，活化温度还有活化时间这几个要素的影响，其中活化温度的影响又最为重要。通过对Cr(VI)的吸附去除能力的大小对所制备的污泥活性炭来进行表征分析。利用电子扫描电镜分析其孔径及比表面积，热重分析仪分析其热重，制作相应曲线图进一步分析其表征性能。1.3活性炭表征研究意义资料研究表明，污泥活性炭的表面一般大都表现为不规则的多孔结构，所以活性炭具有比较强的吸附性能，而孔径相对来说比较大，导致其非常容易吸附大分子有机物。活性炭作为一种无机化工产品，其最大特点就是拥有丰富的孔隙结构和相对较大的比表面积和较强的吸附能力21。现如今，生活中的方方面面大都有活性炭使用的身影。可用于饮用水的净化和气体净化等方面。并且由于其在使用失效之后很容易再生，使它在加工食品、化工、农业、环境保护等方面也有着非常广泛且重要的用处，而对活性炭的表征研究对活性炭的应用具有推进作用。本课题从电子扫描电镜、比表面积、孔径分布、热重分析多方面对磷酸活化的污泥活性炭进行表征分析，为研究污泥活性炭的性能分析提供一定的理论依据。第2章 实验方法2.1污泥活性炭制备本实验以安阳某水务有限公司剩余污泥为原材料，污泥含水率为80%，通过磷酸活化法在活化温度450、活化时间50min、固液比1：2.25、活化剂浓度40%的条件下制备污泥活性炭性，对此样品进行表征分析。2.2 实验仪器本实验所采用的实验仪器见表2.1。表2.1实验所用仪器和设备实验设备设备型号生产厂家扫描电子显微镜日立S-4800日立公司（Hitachi Limited）比表面与孔隙分析仪TriStar II 3020系列美国迈高公司热重-红外光谱联用仪STA449F5-Tensor II耐驰-布鲁克2.3污泥活性炭表征分析内容2.3.1电子扫描电镜活性炭的吸附性能与活性炭表面的孔结构有着非常密切的联系。通过电子扫描电镜分析，能够看到污泥活性炭的表面孔的分布和孔的大小，能明显地观看到活性炭表面的形貌并不是光滑的，增加电镜的放大倍数就可以看到活性炭的表面结构有大孔。利用电子扫描电镜对制备的污泥活性炭进行表面形貌的观测，进而来探讨活性炭的孔隙发达程度。2.3.2比表面及孔径分析活性炭本身就可以作为吸附剂同时也可以当作催化剂载体。有着非常广的应用，而比表面积就是表征其性能的一个重要参数。因此可以使用比表面积分析仪来测定制备的污泥活性炭的比表面积大小，并观测其孔径分布以及孔径大小，其中微孔是影响活性炭吸附能力好坏的主要因素。2.3.3热重分析借用热重分析仪来分析制备的污泥活性炭在惰性气体中的热解特性。并绘制相应的曲线，以便于更直观的表现出所制备的污泥活性炭性能表征。第3章 实验结果分析3. 1电子扫描电镜分析取一定量活性炭样品和剩余污泥，用电子扫描电镜对污泥活性炭样品和剩余污泥进行表面形态分析。剩余污泥和活性炭样品的电子扫描电镜图见图3.1（AC）至图3.2(AC)所示。图3.1图A为剩余污泥在电子扫描电镜中放大1000倍的样子，图B为剩余污泥在电子扫描电镜中放大10000倍的画面，图C为剩余污泥在电子扫描电镜中放大20000倍的画面。图3.2图A为磷酸活化发制备的活性炭在电子扫描电镜中放大1000倍的画面，图B为磷酸活化发制备的活性炭在电子扫描电镜下放大10000倍的画面，图C为磷酸活化法制备的活性炭在电子扫描电镜下放大20000倍的画面。 图A（放大1000倍） 图B（放大10000倍）图C (放大20000倍)图3.1剩余污泥电子扫描电镜图 图A（放大1000倍） 图B（放大10000倍）图C（放大20000倍）图3.2活性炭电子扫描电镜图从图3.1图A与图3.2图A相比较可以看出，剩余污泥与活性炭总体上都是固体颗粒，说明磷酸活化剩余污泥时，对整体结构的破坏并不严重，只是形成了孔隙。从图3.1图B与图3.2图B可以看出，活性炭与剩余污泥泥相比较，剩余污泥表面相对比较平滑，基本上看不到孔结构，而经过磷酸活化制得的污泥活性炭表面粗糙不平，说明污泥活性炭的表面密集地分布着许多微孔和小孔，从而导致活性炭比表面积的增大。从图3.1图C与图3.2图C相比较可以看出，剩余污泥表面并没有太多的孔结构，而污泥活性炭具有丰富的、孔径大小不一的孔结构，孔的形状多呈不规则形。孔的来源可能是在活化过程时活化剂蒸发产生的，该活性炭具有良好的吸附性能。3.2比表面分析和孔径分布3.2.1比表面积分析 在活化温度450、固液比1：2.25、活化剂浓度40%的最佳条件下活化50min得到最佳的活性炭。用公式计算该活性炭BET比表面积，所得相应结果见表3.1。从表3.1中可以看到，剩余污泥比表面积为1.1791 cm2/g，总孔容为0.0105 cm3/g，而污泥活性炭的比表面积为28.1139 cm2/g，总孔容为0.1098 cm3/g，和剩余污泥相比，添加磷酸活化剂制得的活性炭的总孔容和比表面积都有明显的提高。表3.1剩余污泥与活性炭比表面积对比分析活性炭样品BET比表面积/ cm2g-1总孔容/cm3g-1平均孔径/nm剩余污泥1.17910.0105 35.6961H3PO4活性炭28.11390.109815.63433.2.2孔径分布污泥活性炭的中孔分布图和全孔分布图分别见图3.3和图3.4，分析污泥活性炭样品的中孔分布和全孔分布。图3.3 活性炭的中孔分布图由图3.3可以知道，活性炭的中孔孔径大多集中在2到8nm左右，8nm35nm也有较少一部分，所形成的孔体积也很小。30nm之后的孔非常少，形成的孔体积基本可以忽略。图3.4 活性炭全孔分布图从图3.4可以看出，活性炭上的孔的直径大多数都是分散在1.5nm3nm。在这个范围内孔占了绝大多数，活性炭的总的孔容基本上由这样的微孔和中孔的孔容决定。而且孔径大于4nm的孔基本上没有，所以在计算孔的类型和所占比重时，我们可以知道活性炭所构成的孔有微孔和中孔以及大孔。表3.2 总孔结构分布参数样品微孔孔容/cm3g-1微孔比例/%中孔孔容/ cm3g-1中孔孔径/nm中孔比例/%大孔比例/%H3PO4活化活性炭0.0007487.500.07960213.32167022.5由表3.2可以知道，活性炭的微孔比重只有7.50%，中孔和大孔却分别有70%和22.50%。表明中孔与大孔在污泥活性炭的比表面积跟孔容占主要比重，容易吸附大分子杂质。3.3热重分析取一定量剩余污泥和制备的污泥活性炭，在热重分析仪中以一定的升温速率，在氮气条件下从0升温至900，分析结果见图3.5和图3.6。图3.5剩余污泥热重分析从图3.5中可以看出：150时，开始失重，剩余污泥中所含的水开始蒸发，200至500是一个持续失重的阶段，这个阶段剩余污泥质量损失了35%，基本上为水分的挥发。500时水分基本上已经被蒸干了，500往后之所以还继续失重，是因为剩余污泥中含有杂质，这时是灰分的挥发造成了失重的现象。图3.6污泥活性炭热重分析从图3.6中可以看出：与剩余污泥相比，污泥活性炭失重并不明显，这是因为污泥活性炭是在高温活化的情况下制得的，所以其中基本上没有水分，同时也说明了活性炭保存过程还是比较好的，密封保存使其没有吸附空气中的水。温度从200升温到800，其质量损失大约为10%，这个阶段可能是因为活性炭中还残留有部分磷酸或其它杂质在此高温情况下挥发了。这也说明用此磷酸活化制备的活性炭，其原材料剩余污泥中的不稳定的杂质挥发性物质已经基本分解完全了。结 论本实验研究用磷酸做活化剂，利用污泥厂运行过程中的剩余污泥为原材料，制作出污泥活性炭，并对其表征分析。电子扫描电镜结果表明，与剩余污泥相比污泥活性炭的表面是比较粗糙的并且出现大量的孔隙，说明它的比表面积明显增加，同时也说明了它的的吸附能力也有明显的提高。热重分析中温度从200升温到800，其质量损失大约为10%，说明用磷酸活化法制备的活性炭，其原材料剩余污泥中的不稳定的杂质挥发性物质已经基本分解完全了。通过比表面积分析其比表面积经过测定大约为28.1139 m2/g，平均孔径为15.6343nm，总孔容为0.1098cm3/g，活性炭孔径基本集中在在4nm左右，微孔比例占7.50%，大孔占22.5%，中孔占70%，说明在污泥活性炭中中孔与大孔的比表面积跟孔容占主要比重，比较容易吸附大分子的杂质。 参考文献1赵晶晶.污泥活性炭的制备及其应用研究D.华南理工大学,2013.2姚宏,沈燕,袁鑫,吕泽瑜,薛晓博.污泥活性炭理化性质表征及吸附抗生素效果研究J.环境科学与技术,2012,35(02):154-158.3闫洪坤.水处理技术中的污泥资源化探究J.科技创新导报,2016,13(26):72-73.4刘惠萍,刘心中.污泥基活性炭的制备及其性能分析J.福建工程学院学报,2013,11(04):385-389.5张伟,杨柳,蒋海燕,汪彩文,汪爱河,周俊.污泥活性炭的表征及其对Cr()的吸附特性J.环境工程学报,2014,8(04):1439-1446.6梁霞,王学江.活性炭改性方法及其在水处理中的应用J.水处理技术,2011,37(08):1-6.7程玉良.活性炭材料的改性及其应用J.中国科技信息,2005,(19):66-67.8姚宏,张士超,沈燕,袁鑫.污泥活性炭净水剂的制备及表征J.环境