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KOH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国内剩余污泥处理现状21.2活性炭概述21.3制备活性炭以及对其进行表征分析的研究进展3第2章 实验部分52.1实验仪器52.2污泥活性炭制备方法52.3 KOH活性炭表征分析52.3.1电子扫描电镜（SEM）52.3.2比表面积及孔径分析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（SEM）表观形态分析63.2比表面积及孔径分析73.2.1 剩余污泥和KOH污泥活性炭的N2吸附等温线83.2.2 KOH污泥活性炭的N2吸附脱附等温线83.2.3比表面积分析93.2.4孔径分布93.3热重分析10结 论12致 谢13参考文献14KOH活化污泥活性炭性能表征分析摘要：本实验以安阳市某水务有限公司剩余污泥为原料，在KOH浓度40%、泥碱比1:3、活化温度450以及90min活化时间条件下制备出KOH污泥活性炭。采用电子扫描电镜（SEM），比表面积测定仪及热重分析仪对KOH污泥活性炭进行表征分析。实验结果表明，污泥活性炭表观形态为颗粒状活性炭，孔分布致密，像蜂窝一样，微孔很少，以中孔以及大孔为主；比表面积是35.2194 m2/g，平均孔径是10.2589nm；利用热重分析仪将污泥活性炭加热到800时，KOH活性炭只降解了15%左右，这表明制备出的KOH活性炭的热稳定性好。关键词：剩余污泥 活性炭 KOH 表征分析IIPerformance Analysis of KOH Activated Sludge Activated CarbonAbstract:In this experiment, KOH sludge activated carbon was prepared under the conditions of KOH concentration of 40%, 1:3, activation temperature of 450 and 90min activation time, using surplus sludge from Anyang City Water Co., Ltd. as raw material. The KOH sludge activated carbon was characterized by electron scanning electron microscopy (SEM), specific surface area tester and thermogravimetric analyzer. The experimental results show that the pore morphology of granular activated carbon is dense,and the pore size is the same as that of honeycomb. The pore size is 35.2194m2/g and the average pore diameter is 10.2589nm. When the activated carbon was heated to 800 by thermogravimetric analyzer, KOH activated carbon was only about 15%, which indicated that the prepared KOH activated carbon had good thermal stability.Key words:excess sludge;activated carbon;KOH;characterization analysis引 言剩余污泥主要是城市污水处理过程中经过初沉池、二沉池产生的一些固体或半固体的沉淀物质及污水表面漂浮的一些残渣。近期我国越来越重视污水处理，但是重视污水处理必然造成的结果就是污泥产生量迅猛增加，污泥产量的增加就会形成大量的污泥将城市包围的现象，所以国家现在开始重视污泥处理的问题，确保污泥不会污染环境，从根本上解决污泥包围城市的现象1。传统的剩余污泥处理办法有很多种，比如卫生填埋、农田和森林施肥、燃烧等2-3。如今剩余污泥主要的治理办法是卫生填埋，这种方法优点是简单容易操作，只需要很少的费用，适应性强。但是卫生填埋只能适用于少部分的污泥4，污泥如果太多，就需要大面积的土地，而随着城市用地的增多以及农耕用地的减少，已经没有足够的土地进行卫生填埋污泥。由此可以看出，直接填埋处理污泥“治标不治本”；另一方面由于接纳土地环境容量限制了污泥的处理规模，而且有些污泥含有重金属，如果不处理污泥而贸然使用污泥施肥的话会破坏土地跟森林生态环境，所以农田和森林施肥也已经不能作为处理剩余污泥的方式；剩余污泥经干燥后有一定热值，因此可以进行燃烧处置。这种处理方法优点是可以去除污泥中的微生物，焚烧还会产生可以利用的热量。但是缺点是焚烧不完全产生的一些有害气体会污染环境，并且焚烧技术耗能非常大，成本的花费很大。活性炭是一种比表面积大、孔结构大的吸附材料，因此使用活性炭吸附杂质时，杂质能够被很好的吸附5。在我国，污水处理厂有很多，因而会有大量污泥在处理污水过程中被产生，新式污泥利用途径就是利用污泥制备活性炭6-7。因为大量的有机物和微生物包含在剩余污泥中，所以剩余污泥的热值和含碳量很高，这也是为什么可以利用剩余污泥作为原料制备活性炭,使用剩余污泥制备活性炭还是可持续发展理念的新的实现方式 8。第1章 绪 论1.1国内剩余污泥处理现状在国内，政府对污泥处理的目标是减少污泥的数量，然后降低污泥对环境的污染以及合理利用污泥资源，实现无用物质再利用，实现变废为宝。污泥含有大量有机物，妥善的处理污泥可以充分利用污泥中的营养物质，实现对污泥资源的合理利用。近几年，我国在污泥排放方面因为法规监测体系不健全，污泥运输费用较高，导致一些小型的污水处理厂产生的污泥没有经过科学的处理，只是经过简单的填埋，焚烧等，这样就造成一些环境隐患，比如造成环境污染，但是基本上我国实现了减少污泥排放的目标，这也说明我国在污泥处理上迈出了重要的一步，同时也存在一些问题。我国污泥泥质成分与国际的污泥泥质成分存在差异，这就使得我国污泥处理方式跟国际的污泥存在较大差异，因为我国污泥中的砂子很多、还含有多种金属，通过燃烧产生的热值很小，导致污泥不能得到充分利用。我国污泥处理技术的不成熟，以及处理污泥的设施不齐全，有的设施还逐渐老化不能使用，这就使得我国处理污泥的效率很低。1.2活性炭概述活性炭是什么？它是含碳材料在一定活化条件下制备所得的吸附材料。活性炭没有固定形状，但是它却有很大的比表面积。那活性炭为什么可以作为吸附剂？因为它的比表面积很大，而且孔隙数目很多。它还禁得住高温高压，不会改变化学性质并且不容易被强酸强碱腐蚀，因而活性炭适用的酸碱范围很广，可以被广泛地应用净化水和空气以及其他领域9。活性炭的含碳量超过90%，但是由于制备活性炭时活性炭未完全活化或者制备活性炭的原料自身性质特点，所以在制备活性炭时，会形成主要元素为氧和氢的灰分。灰分在活性炭的比重不会超过10%，而且灰分不具有吸附性能。制备活性炭的原料来源多样，几乎含碳的有机物质如剩余污泥、木材和果壳等这些含碳材料都可以制备活性炭。多年以前就有人研究把污泥当成制备活性炭的原料，但是跟传统活性炭制备的原材料相比较而言，污泥的特点又比较特别。污泥中含有较高的灰分，碳含量却有点低，因此污泥活性炭的吸附效果会弱于传统活性炭的吸附效果；制备污泥活性炭的成本也比制备传统活性炭的成本高；包含灰分过多，这使得活性炭不能应用于在食品以及清洁上。但是污泥活性炭又有它的特别的点，就是它的催化作用和专用吸附功能使得它可以成为一种功能性吸附剂。1.3制备活性炭以及对其进行表征分析的研究进展迄今为止，有很多学者在研究活性炭，不过大多数学者都是研究如何制备活性炭，而以下的几位学者不仅研究如何制备活性炭，还对制备出的活性炭进行表征分析。谢应波，张维燕等10认为使用KOH及NaOH作为活化剂可以制备得到具有优良孔结构的活性炭。于是他们用KOH及NaOH活化沥青焦制备活性炭，利用XRD对制备出的活性炭进行表征，并用比表面积测定仪相关数据并根据公式对这些数据进行计算得到BET比表面积、DFT孔径分布及孔容。最终得出结论：以KOH作为活化剂制备得出的活性炭表面含氧官能团比NaOH活化剂所制活性炭表面含氧官能团更多，最后得出活性炭的孔容为1. 43cm3/g，BET比表面积是2939m2/g。在原油生产过程中，不仅原油被生产出来，还产出像石油焦的其他物质。石油焦主要可以用于工厂炼钢、火力发电等领域。但是不断增加的石油焦产量以及供大于求的市场情况，如何增加石油焦的利用价值是一个值得探讨的问题11。所以赵继全，王传义12在氮气保护下使用KOH活化石油焦，得到高比表面积活性炭。通过比表面积测定仪得出BET比表面积是2806.69m2/g。有学者使用KOH作为为活化剂活化玉米芯水解后剩余的残渣（俗称糠醛渣）制备了活性炭。王广建，付信涛等人13在成功制备活性炭之后，采用比表面积测定仪得出比表面积及孔径分布，利用红外光谱仪分析活性炭表面官能团，使用电子扫描电镜观察被放大不同倍数的图，根据这些图来分析活性炭的表观形态。最后他们知道制备出的活性炭具有密集分布的吸附孔径，吸附孔容为0.89cm2/g，比表面积为3291m2/g。造纸厂在利用废纸制浆时产生的不仅是纸浆，还有脱墨污泥，纸浆可以用来造纸，但是脱墨污泥很难处理。如果填埋的话脱墨污泥中含有的重金属会对土地造成永久性损害，这些被损害的土地很难被再次利用14。所以有人研究脱墨污泥的处理，如通过焚烧脱墨污泥产生能量；还可以分理出污泥中的有机物，用作肥料的制作原料15-18。吴玉英，张学铭19还使用KOH活化脱墨污泥得到脱墨污泥活性炭，然后他们使用电子扫描电镜观察它被放大不同倍数的图，根据这些图来分析活性炭的表观形态。最后观察到活性炭总体在电子扫描电镜结果中呈分离的棍状结构，还有分布形状像蜂窝的孔，微孔比例高达80.3%。赵阳和高建民等人20以核桃壳作为制备活性炭的原料使用KOH 活化，制备活性炭，然后他们对活性炭进行表征分析，得出活性炭的比表面积、总孔容以及微孔比重。我国是麻制品产量大国，每年会有很多被丢弃的像麻袋和麻绳等麻制品，这些被丢弃麻制品如果不得到合理处理很容易对环境造成破坏21-22。牛耀岚等人23用KOH活化被丢弃的麻制品制备活性炭。使用比表面积测定仪测出相关数据，然后对这些数据使用公式计算制备出的活性炭比表面积、孔体积和孔径分布。结果表明，BET比表面积为1387m2/g，孔容为0. 415cm3/g。第2章 实验部分2.1 实验仪器实验仪器见表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2.2 KOH污泥活性炭制备方法以安阳某水务有限公司剩余污泥为原料，在KOH浓度40%，泥碱比1:3，活化时间90min以及活化温度450条件下制备出KOH污泥活性炭，然后对其进行表征分析。2.3 KOH活性炭表征分析2.3.1电子扫描电镜（SEM）电子扫描电镜可以将样品放大不同倍数，然后进行分析。在本实验中，使用电子扫描电镜是为了观测样品的整体形貌、以及孔的形状和聚集状态进而分析活性炭的吸附效果。2.3.2比表面积及孔径分析比表面积测定仪，是通过改变装有样品的容器的气压，测量并计算出在该压力下样品的吸附数值来分析样品比表面积以及孔径。本实验使用比表面积测定仪测定活性炭相关数据,然后利用公式对这些数据计算并分析比表面积及孔径，计算微孔和中孔的比重、孔径以及孔容。2.3.3热重分析剩余污泥被烘干然后研磨成粉末，通过100目的筛子进行筛选。对筛选过的剩余污泥和最佳条件下制备的活性炭进行热重分析，确定它们降解失重的温度区间，以及最终的失重率。第3章 实验结果分析3.1电子扫描电镜（SEM）表观形态分析对未经KOH活化前剩余污泥进行电镜扫描，观察活性炭整体和局部形态。如图3.1，（A）是被放大1000倍的整体形态图；（B）（C）分别是局部形态被放大10000和30000倍的不同局部图。(A)放大1000倍 （B）放大10000倍（C）放大30000倍图3.1剩余污泥电子扫描电镜图对在KOH溶液浓度40%、碱泥比1:3、活化温度450、活化时间90min条件下制备的活性炭进行电镜扫描，观察活性炭形态。如图3.2，（A）是被放大1000倍的整体形态图；（B）（C）分别是被放大10000和30000倍的不同局部图。（A）放大1000倍 （B）放大10000倍（C）放大30000倍图3.2 KOH活性炭电子扫描电镜图由图3.1（A），图3.2（A）比较可以得出，经过KOH活化后，得到的剩余污泥活性炭，总体依旧是颗粒状固体，说明在氢氧化钾活化污泥时，氢氧化钾对整体结构的破坏程度不大，只是形成了孔隙；由图3.1（B），图3.2（B）对比知道，由于活化剂KOH附着在污泥上，然后高温活化时破坏了活性炭表面结构，在颗粒状结构上生成孔隙；由图3.1（C），图3.2（C）对比知道，颗粒状活性炭的孔分布致密，像蜂窝一样，微孔很少，以中孔以及大孔为主。由图3.1和图3.2可以看出，有白色固体附着在活性炭表面上，这可能是残余的钾盐固体以及活性炭中的灰分，氢氧化钾活化污泥制备的活性炭与在最优条件下污泥未加活化剂制备出的活性炭相比，添加了KOH作为活化剂得到的活性炭的具有稠密的孔分布，还具有很小的孔径。3.2比表面积及孔径分析通过比表面积测定仪测定相关数据，然后绘制污泥活性炭的N2吸附等温线（见图3.3）以及活性炭的吸附脱附等温线（见图3.4）。3.2.1剩余污泥和KOH污泥活性炭的N2吸附等温线图3.3样品的吸附等温线从图3.3中可以看出，在相对压力小时，KOH活性炭的曲线向上凸，初始的吸附基本结束。当相对压力增大时，与大气压基本相等时，更多的吸附层数开始吸附。曲线上的变换点代表单层吸附的结束和多层吸附的开始，活性炭的曲线在相对压力变大时明显上升，这说明活性炭在大气压强时吸附效果最强，但是剩余污泥在大气压时，它基本没有吸附量。等温线线表征的吸附量和孔分析与通过实验得出的结论符合。3.2.2 KOH污泥活性炭的N2吸附脱附等温线图3.4样品的吸附脱附图在图3.4中，活性炭的吸附脱附曲线属于第二类吸附等温线，在相对气压低的时候，吸附的速度都相对缓慢，这可能是制备出的活性炭含有的微孔数量较少。在相对气压比较大时，提升迅速，反映了制备出的活性炭的中孔以及大孔结构比较繁杂，容易吸附大分子杂质。3.2.3 比表面积分析通过比表面积与孔隙分析仪测定出制备的活性炭相关数据，对这些数据用公式计算相应结果见表3.1。表3.1污泥活性炭比表面积分析活性炭样品BET比表面积/m2g-1总孔容/cm3g-1平均孔径/nm剩余污泥1.17910.0105 35.6961KOH活性炭35.21940.090310.2589由表3.1可以知道，KOH活性炭的比表面积要远远高于剩余污泥的比表面积，KOH活性炭的孔径比剩余污泥的小，但是孔容却比剩余污泥的大，表明了制备出的KOH活性炭吸附效果很好。3.2.4孔径分布污泥活性炭的BJH中孔分布图和DFT全孔分布图分别见图3.5和图3.6，分析污泥活性炭的中孔分布和全孔分布。图3.5污泥活性炭的BJH中孔分布图由图3.5可以知道，活性炭的中孔孔径基本都聚集在4nm附近，也有少部分孔径在5nm30nm之间，所形成的孔体积也很小。30nm之后的的孔非常的少，形成的孔体积基本可以忽略。图3.6污泥活性炭DFT全孔分布图从图3.6可以看出，活性炭上的孔的直径大多数都是分布在1.7nm2.7nm。在这个范围内孔占了绝大多数，而且孔径大于4nm的孔基本上没有，计算孔的类型和所占比重见表3.2。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/%KOH活性炭0.0007409.520.09032813.095469.0521.43由表3.2可以知道，活性炭的微孔比重只有9.52%，中孔和大孔却分别有69.05%和21.43%。表明中孔跟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热重分析对剩余污泥以及得到的KOH污泥活性炭进行热重分析，绘制失重曲线，见图3.7。从图3.7可以看出：剩余污泥从 80起就有水分被析出，在 105有个失重峰，水开始从污泥中析出，由于水分的析出而导致污泥质量损失百分比是2.6%。从 215600，有明显的失重曲线，因为在该段有机物被降解；其中热稳定性差的有机物分解集中在 215500，失重36%，主要是污泥中的部分有机物化学键较弱。当温度升高时，这些有机物的碳碳键断裂，产生了CO和CO2；当温度升高到500到600时，质量损失约为3%，该段可能是温度没有达到部分有机物所需要的熔点。在温度高于600低于800时，在这一温度区间内基本都是一些热稳定性差的矿物质，污泥失重较小，为6%。当热解温度达到800或者超过800时，污泥剩余为原有质量的54%左右，剩余物质主要是灰分和没有固定形状的碳。在剩余污泥的热解过程中，有机物会挥发，然后只剩下具有孔结构的碳以及灰分，而具有孔结构的碳使得制备出的活性炭具有吸附作用。图3.7污泥活性炭在氮气保护下的失重曲线污泥活性炭的失重跟剩余污泥的失重相比之下，前者损失了很少的质量。污泥基活性炭在温度为 105时有个失重峰，这是因为KOH制备的污泥活性炭吸附空气中的水分造成。在温度高于 105低于300时，污泥活性炭的损失了大约3%的质量，这表明污泥活性炭加热到一定温度时，污泥刚开始的有机物和挥发性无机物初步被降解。在温度升高到400600时，污泥活性炭大约损失了3%的质量，该段主要是一些热稳定性好的有机物以及无机物的降解。当温度升高到 800时，还有85%的污泥活性炭。这说明了污泥活性炭在通过高温以及KOH活化后，活性炭中化学性质不稳定的有机物和以及容易挥发的无机物完全被分解。由于实验室设备不齐全，因而不能对制备出的活性炭进行傅里叶红外光谱分析表面官能团，X射线衍射分析晶层结构，所以不能完全对活性炭进行表征。结 论本课题以安阳某水务有限公司剩余污泥为原料，采用KOH活化法制备活性炭，并对制备出的活性炭进行了表征分析，通过实验研究得到以下重要结论：（1）电子扫描电镜结果表明，活性炭总体依旧是颗粒状固体，颗粒状活性炭的孔分布致密，像蜂窝一样，含有少部分的微孔以及大量的中孔和大孔。（2）通过比表面积测定仪测出污泥活性炭的比表面积是35.2194m2/g，孔径基本是在4nm左右，中孔跟大孔在污泥活性炭的比表面积跟孔容上占主要比重，表明污泥活性炭吸附大分子杂质效果好。（3）经过对剩余污泥以及活性炭的热重分析可以发现，当温度升高到450时，剩余污泥基本被完全转化为活性炭，并且得到的活性炭热稳定性好，在800的高温下质量损失的也很少。利用剩余污泥作为原料，KOH为活化剂制备的污泥活性炭，吸附性能很优越，可以用来去除大分子杂质，减少污泥的数量的同时还可以降低制备活性炭的生产成本，具有一定的经济实用价值。参考文献1陈红英,王红涛.城市污水处理厂污泥的资源化利用研究J.浙江工业大学学报,2007,35(3):337-340.2郝晓地,张璐平,兰荔.剩余污泥处理处置方法的全球概览J.中国给水排水,2007,23(20):1-5.3姜玲玲,孙荪.我国污泥处理处置现状及发展趋势分析J.环境卫生工程,2015,23(03):13-17.4严树,吴文.城市生活垃圾的卫生填埋J.长江流域资源与环境,2003,12(50):379-484.5杨丽君,蒋文举.磷酸微波法制污水污泥活性炭的研究J.中国资源综合利用,2004,(12):15-18.6任爱玲,王启山,郭斌.污泥活性炭的结构特征及表面分形分析J.化学学报,2006,64(10):1068-1072.7方卢秋,李秋.脱水污泥活性炭的制备及其吸附特性研究J.江西师范大