一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及水处理材料技术领域，公开了一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）原料前处理：将含铁混凝污泥进行烘干，然后分别将烘干后的含铁混凝污泥和无水氯化钙粉碎；（2）混料：将粉碎后的无水氯化钙和含铁混凝污泥混合搅拌均匀，得到混合原料；（3）高温热解：将混合原料在氮气保护下进行高温热解，冷却后得到所述混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料。本发明专利技术采用含铁混凝污泥与无水氯化钙共热解制备负载了氧化钙的零价铁生物炭复合材料，制备过程中无需另外添加含铁化合物，不使用还原剂，不产生废水，操作简单，是一种绿色环保工艺；且制得的复合材料除磷效果好，抗钝化效果好，使用寿命长。使用寿命长。使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及水处理材料
，尤其是涉及一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]在农业和工业的快速发展过程中会产生含磷较高的废水，由于不当处理和排放，导致过量的磷元素进入封闭水体，会引发水体富营养化，从而威胁生态环境，水体富营养化问题仍是我国亟待解决的重要科学技术问题。目前，废水中的磷的处理方法主要包括化学沉淀法、生物法、膜分离法和吸附法等。零价铁生物炭复合材料因其强吸附性、高反应活性和较温和的还原性被认为是一种很有前景的除磷功能性材料。
[0003]现有制备零价铁生物炭复合材料的方法主要有两种：1）将生物质与铁盐混合后进行高温热解；如 CN109939680 A公开了一种零价铁生物炭复合材料的制备方法：主要包括将柑皮、橘皮、柚皮、柠檬皮等农业废弃物经过干燥、粉碎后，加入到含铁溶液中，经过超声混匀、水热处理后，最后经高温热解得到零价铁生物炭复合物；2）将生物炭与铁盐混合，然后加入还原剂对铁盐进行还原；如CN 110015742 A公开了一种生物炭负载纳米零价铁的制备方法：首先将水葫芦在300~600℃下在惰性气体保护下制备成生物炭，然后与铁离子溶液混合，并在氮气保护下滴入硼氢化钾溶液，铁离子被还原成纳米零价铁并负载在生物炭上。但是这些方法均需另外加入含铁化合物，更严重的是，在制备过程中会产生大量废水，极易造成二次污染。并且在溶液中加入强还原剂对铁盐进行还原时会产生氢气，使得复合物的制备过程存在一定的危险性。r/>[0004]另外，最近的研究表明，零价铁生物炭复合材料除磷主要通过吸附和沉淀反应两种方式：一方面，利用复合材料表面带正电特性，可吸附磷酸根离子；另一方面，这种复合材料通过铁炭微电解释放铁离子与水中的磷发生沉淀反应，形成磷酸铁/磷酸亚铁，从而达到除磷的效果。但随着反应的进行，复合材料表面会形成铁氧化物/氢氧化物/磷酸盐的钝化层，尤其是零价铁颗粒物表面，抑制了铁炭微电解反应，从而降低铁离子的释放，大大降低活性材料的活性。目前主要的改进方法是事先在复合材料上构筑双金属系统、负载聚合物、炭和褐藻酸盐等材料。但这些改进方法操作复杂，并且会导致成本增加。
[0005]因此，如何获得一种低成本的，在除磷过程中抗钝化效果强且除磷效率强的零价铁生物炭复合材料是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法，制备过程中无需另外添加含铁化合物，不使用还原剂，不产生废水，操作简单，是一种绿色环保工艺；且制得的复合材料除磷效果好，抗钝化效果好，使用寿命长。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）原料前处理：将含铁混凝污泥进行烘干，然后分别将烘干后的含铁混凝污泥和无水氯化钙粉碎；（2）混料：将粉碎后的无水氯化钙和含铁混凝污泥混合搅拌均匀，得到混合原料；（3）高温热解：将混合原料在氮气保护下进行高温热解，冷却后得到所述混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料。
[0008]含铁化合物作为混凝剂广泛应用于水处理中，导致了大量含铁污泥的产生；同时，在混凝过程中，废水中的污染物（重金属、抗生素和有害微生物）也会富集到污泥中，对环境有着较强的负面效应；因此，混凝污泥的治理是一项艰巨的任务。本专利技术以含铁混凝污泥作为原料制备零价铁生物炭，将含铁混凝污泥变废为宝，实现资源化利用，不但可以解决其导致的环境问题，而且可以发掘其蕴藏着巨大的生物质资源。
[0009]本专利技术利用混凝污泥同时大量含铁和有机物的特点，通过直接热解制备零价铁生物炭复合物，制备过程中无需另外添加含铁化合物，不使用还原剂，不产生废水，操作简单，是一种绿色环保工艺。热解后，污泥中的铁氧化物被热解过程中有机物降解产生的炭、一氧化碳和氢气等物质还原成零价铁，并分散于炭结构当中；同时固化重金属，分解抗生素，杀灭有害微生物，可以实现混凝污泥的资源化利用。
[0010]而由于复合材料中零价铁分布于炭结构中，两者充分接触，当复合材料浸入废水中除磷时，由于铁和炭之间存在1.2 V的电极电位差，因而会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场，如不加控制，作为阳极的零价铁会不断释放铁离子，其表面很快会被氧化和附着氢氧化铁，导致复合物在短时间内失去活性。因此本专利技术在含铁混凝污泥中加入氯化钙进行共热解，热解时氯化钙可以与水反应生成氧化钙和氯化氢，其中氧化钙会附着在复合材料的表面；重金属铜、锌等经氯化反应转化为金属氯化物并挥发，生成的零价铁生物炭安全性进一步提高。在复合材料与废水进行混合后，氧化钙会快速与水发生反应，由于氢氧化钙的溶解度较低，能够在在铁和炭之间原位形成一层保护膜，避免两者的接触，保护了复合材料的活性；随着反应的进行，氢氧化钙会慢慢溶解，这就使得铁炭之间重新得以接触，发生微电解反应，能够释放铁离子。因此负载氧化钙后，可显著提升复合材料的抗钝化效果及使用寿命。
[0011]作为优选，步骤（1）中的含铁混凝污泥中，铁的质量浓度为20~30%。
[0012]作为优选，步骤（1）中含铁混凝污泥的烘干温度为80~100℃。
[0013]作为优选，步骤（1）中烘干后的含铁混凝污泥和无水氯化钙粉碎至粒径≤150μm。
[0014]作为优选，步骤（2）中粉碎后的无水氯化钙和含铁混凝污泥的质量比为1~3:10。加入适量氯化钙后，生成的氧化钙虽然能一定程度提高复合材料的除磷能力，但由于混凝污泥本身含磷，在制备过程中也会与氯化钙反应生成磷酸钙之类的化合物，这类化合物是不溶解的，会堵塞生物炭的孔道和铁颗粒的表面，生成的氧化钙过多会导致氢氧化钙膜过厚，因此，氯化钙添加量过高也会导致复合材料的除磷能力降低。将氯化钙的添加量控制在本专利技术的范围内，可以在提升复合材料抗钝化效果的同时确保其除磷能力。
[0015]作为优选，步骤（3）中高温热解时的温度为800~900℃。本专利技术通过共热解氯化钙和含铁混凝污泥，一方面通过还原反应将铁氧化物转化为零价铁，另一方面氯化钙通过热活化生成氧化钙，生成均匀负载有氧化钙的零价铁生物炭复合材料。由于铁还原反应和氯
化钙热活化受原料和热解温度影响极大，继而影响复合材料的性能。因此本专利技术需对热解温度进行控制。在本专利技术中的温度下制备的复合材料中，零价铁和氧化钙的结晶度更高，比表面积更大，有丰富的孔隙结构，可大幅提高复合物对磷的去除能力，并且使用寿命更长。
[0016]作为优选，步骤（3）中高温热解时以3~5℃/min的速率升温至800~900℃，然后保温0.5~1h。采用缓慢升温的方法可使体系温度均匀上升，避免局部过热，造成反应不均一。
[0017]作为优选，步骤（3）中高温热解时氮气的流量为100~300 mL/min。
[0018]因此，本专利技术具有如下有益效果：（1）以含铁混凝污泥作为原料制备零价铁生物炭，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：（1）原料前处理：将含铁混凝污泥进行烘干，然后分别将烘干后的含铁混凝污泥和无水氯化钙粉碎；（2）混料：将粉碎后的无水氯化钙和含铁混凝污泥混合搅拌均匀，得到混合原料；（3）高温热解：将混合原料在氮气保护下进行高温热解，冷却后得到所述混凝污泥基零价铁生物炭除磷复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤（1）中的含铁混凝污泥中，铁的质量浓度为20~30%。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是，步骤（1）中含铁混凝污泥的烘干温度为80~100℃。4.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张棋，叶雪珠，陈德，肖文丹，赵首萍，
申请(专利权)人：浙江省农业科学院，
类型：发明
国别省市：