公布日：2023.12.01
申請日：2023.09.11
分類號：C02F1/461(2023.01)I;C02F101/10(2006.01)N
摘要
本申請公開一種污泥基多孔陶瓷海綿及其制備和在電促除磷中的應用，改性剩余污泥和水玻璃，加水制成漿料后，以聚氨酯海綿為有機模板，浸漬并擠出多余漿料，經焙燒后得到多孔陶瓷海綿；將制備的污泥基多孔陶瓷海綿直接用于磷酸鹽的吸附和回收，也可與電化學系統耦合，完成磷的去除過程。本申請對解決剩余污泥的資源化利用、磷酸鹽回收以及實現以廢治廢具有重要意義。
權利要求書
1.一種利用污泥基多孔陶瓷海綿處理含磷廢水的方法，其特征在于，包括：(1)將含磷廢水送入三維電極反應器中，接通電源，電解進行磷的吸附，所述三維電極反應器包括電解槽和置于電解槽內的陽極電極及陰極電極，所述陽極電極和陰極電極外接電源，所述陽極電極為污泥基多孔陶瓷海綿；(2)經步驟(1)處理后的廢水進行達標排放；所述污泥基多孔陶瓷海綿的制備過程包括：(a)將剩余污泥經烘干和研磨預處理后，與鑭的無機鹽水溶液混合反應，制備負載鑭的剩余污泥；(b)將所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～90％：40％～10％混合，并加入去離子水混合均勻制備陶瓷漿料；(c)將有機模板浸入所述陶瓷漿料中，充分浸漬后，擠出多余漿料，室溫干燥形成胚體，然后將坯體依次進行熱解、碳化，制備得到所述污泥基多孔陶瓷海綿。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟(1)中，所述含磷廢水濃度為2～4g/L；所述陰極電極為不銹鋼電極；所述電源為直流電源。
3.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟(1)中，控制電解的電壓為0.2～1V；所述吸附的時間為2～10min。
4.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟(a)中，所述鑭的無機鹽水溶液為硝酸鑭水溶液；所述硝酸鑭水溶液的濃度為0.05～0.2mol/L；所述剩余污泥與硝酸鑭水溶液的固液比為1:10，所述混合反應過程中，混合液pH調至8～11，水浴震蕩條件為24～26℃、150～200r/min，振蕩時間為12～24h。
5.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟(b)中，所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～80％：40％～20％混合。
6.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟(c)中，所述熱解的過程為：將干燥的胚體放入立式管式爐中，以4～6℃/min的速率、80～120mL/min的流速加熱至500～800℃；所述碳化的過程為：在氮氣氣氛下保持2～4h，自然冷卻后取出，制得污泥基多孔陶瓷海綿。
7.一種污泥基多孔陶瓷海綿的制備方法，其特征在于，包括：(a)將剩余污泥經烘干和研磨預處理后，與鑭的無機鹽水溶液混合反應，制備負載鑭的剩余污泥；(b)將所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～90％：40％～10％混合，并加入去離子水混合均勻制備陶瓷漿料；(c)將有機模板浸入所述陶瓷漿料中，充分浸漬后，擠出多余漿料，室溫干燥形成胚體，然后將坯體依次進行熱解、碳化，制備得到所述污泥基多孔陶瓷海綿。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，所述鑭的無機鹽水溶液為硝酸鑭水溶液；所述硝酸鑭水溶液的濃度為0.05～0.2mol/L；所述剩余污泥與硝酸鑭水溶液的固液比為1:10，所述混合反應過程中，混合液pH調至8～11，水浴震蕩條件為24～26℃、150～200r/min，振蕩時間為12～24h；步驟(b)中，所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比70％～90％：30％～10％混合；步驟(c)中，所述熱解的過程為：將干燥的胚體放入立式管式爐中，以4～6℃/min的速率、80～120mL/min的流速加熱至500～800℃；所述碳化的過程為：在氮氣氣氛下保持2～4h，自然冷卻后取出，制得污泥基多孔陶瓷海綿。
9.一種如權利要求7或8所述制備方法制備得到的污泥基多孔陶瓷海綿。
10.如權利要求9所述污泥基多孔陶瓷海綿作為吸附劑或作為電極材料在含磷廢水處理中的應用。
發明內容
本申請提供了一種污泥基多孔陶瓷海綿及其制備和在電促除磷中的應用，該污泥基多孔陶瓷海綿制備方法簡單、易于操作，且充分利用了剩余污泥中生物質含量高的特質，一方面將其轉化為一種可處理含磷廢水的高效吸附劑，并可再生利用，獲得一種具有經濟價值的環境友好材料，另一方面，與電化學系統耦合，實現磷的去除。本發明對解決污泥的資源化利用、磷酸鹽的去除以及實現以廢治廢具有重要意義。
一種利用污泥基多孔陶瓷海綿處理含磷廢水的方法，包括：
(1)將含磷廢水送入三維電極反應器中，接通電源，電解進行磷的吸附，所述三維電極反應器包括電解槽和置于電解槽內的陽極電極及陰極電極，所述陽極電極和陰極電極外接電源，所述陽極電極為污泥基多孔陶瓷海綿；
(2)經步驟(1)處理后的廢水進行達標排放；
所述污泥基多孔陶瓷海綿的制備過程包括：
(a)將剩余污泥經烘干和研磨預處理后，與鑭的無機鹽水溶液混合反應，制備負載鑭的剩余污泥；
(b)將所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～90％：40％～10％混合，再加入與混合物的總質量比為3～4:1的去離子水，混合均勻制備陶瓷漿料；
(c)將有機模板浸入所述陶瓷漿料中，充分浸漬后，擠出多余漿料，室溫干燥形成胚體，然后將坯體依次進行熱解、碳化，制備得到所述污泥基多孔陶瓷海綿。
本申請污泥基多孔陶瓷海綿的原料為改性剩余污泥和水玻璃，加水制成漿料后，以聚氨酯海綿為有機模板，浸漬并擠出多余漿料，經焙燒后得到多孔陶瓷海綿；將制備的污泥基多孔陶瓷海綿直接用于磷酸鹽的吸附，材料可再生使用，溶出的磷酸鹽可再次用作磷肥使用。也可與電化學系統耦合，完成磷的去除過程。
本申請采用有機泡沫浸漬工藝，與多孔陶瓷的其他制備工藝相比，工藝過程簡單，操作方便，不需要復雜設備，制備成本低，通過選擇不同孔隙結構和不同孔徑的有機泡沫體作為模板，即可得到剩余污泥摻加量高、成本低廉、可控孔結構、高氣孔率、高比表面積和高吸附性能的多孔陶瓷材料，將多孔陶瓷作為電極材料應用于去除廢水中的磷。污泥基多孔陶瓷海綿作為電極材料，可在電場的作用下釋放出金屬離子(Fe2+和La3+)，這些金屬陽離子在酸性條件下可與磷酸根離子直接反應生成沉淀(Fe3(PO4)2或LaPO4)，在堿性條件下會與氫氧根離子生成單體或聚合金屬復合物(Fe(OH)2，La(OH)3)，進而用于磷酸鹽的去除。本申請為剩余污泥的資源化利用，實現以廢治廢具有重要意義。
可選的，步驟(1)中，所述含磷廢水濃度為2～4g/L；所述陰極電極為不銹鋼電極；所述電源為直流電源。
可選的，步驟(1)中，控制電解的電壓為0.2～1V；所述吸附的時間為2～10min。
進一步優選的，步驟(1)中，控制電解的電壓為0.8V；所述吸附的時間為5min。
所述污泥基多孔陶瓷海綿的制備過程中：
可選的，步驟(a)中，所述剩余污泥烘干和研磨處理的過程為：將剩余污泥在100～120℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，然后將干燥的污泥破碎研磨過25～30目篩。
可選的，步驟(a)中，所述鑭的無機鹽水溶液為硝酸鑭水溶液；所述硝酸鑭水溶液的濃度為0.05～0.2mol/L；所述剩余污泥與硝酸鑭水溶液的固液比為1:10，所述混合反應過程中，混合液pH調至8～11，水浴震蕩條件為24～26℃、150～200r/min，振蕩時間為12～24h。
可選的，步驟(a)中，混合反應結束后，對反應液進行固液分離，所得固定成分經洗滌、干燥和研磨等后處理得到所述負載鑭的剩余污泥。
進一步地，可選的，所述洗滌為：用去離子水沖洗固體2～4次；所述干燥為：將固體樣品在100～120℃恒溫干燥箱中烘干；所述研磨為：研磨過25～30目篩。
可選的，所述有機模板為聚氨酯海綿，裁成尺寸為2×2×2cm。
可選的，步驟(b)中，所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～80％：40％～20％混合。進一步優選的，所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比70％：30％混合。
可選的，步驟(b)中，加入去離子水的量以攪拌均勻后得到穩定性和流動性均較好的陶瓷漿料為宜；優選加入與混合物的總質量比為3～4:1的去離子水。
可選的，步驟(c)中，所述熱解的過程為：將干燥的胚體放入立式管式爐中，以4～6℃/min的速率、80～120mL/min的流速加熱至500～800℃；所述碳化的過程為：在氮氣氣氛下保持2～4h，自然冷卻后取出，制得污泥基多孔陶瓷海綿。最優選的，以5℃/min的速率、100mL/min的流速加熱。
材料制備的優化步驟包括：
(a)將剩余污泥在100～120℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，然后將干燥的污泥破碎研磨過25～30目篩；
(b)將步驟(a)處理后的剩余污泥與硝酸鑭溶液混合，調pH值，然后在水浴振蕩器中震蕩一定時間后取出，得負載鑭的剩余污泥；
(c)將步驟(b)所得負載鑭的剩余污泥混合液離心分離，并用去離子水沖洗固體三次，然后將固體樣品在100～120℃恒溫干燥箱中烘干，研磨過25～30目篩；
(d)將步驟(c)中負載鑭的剩余污泥和水玻璃按質量百分比60％～90％：40％～10％混合均勻，再加入與混合物的總質量比為3～4:1的去離子水，攪拌均勻，得到穩定性和流動性較好的陶瓷漿料；
(e)模板的處理，選擇合適的有機模板，裁成一定尺寸，備用。
(f)將步驟(e)得到的有機模板浸入步驟(d)中的陶瓷漿料中，充分浸漬后，采用對輥擠壓的方式將多余的漿料擠出，在室溫下干燥一段時間形成胚體，然后進行熱解制備污泥基多孔陶瓷海綿。
本申請還提供一種污泥基多孔陶瓷海綿的制備方法，包括：
(a)將剩余污泥經烘干和研磨預處理后，與鑭的無機鹽水溶液混合反應，制備負載鑭的剩余污泥；
(b)將所述負載鑭的剩余污泥與水玻璃按質量百分比60％～90％：40％～10％混合，并加入去離子水混合均勻制備陶瓷漿料；
(c)將有機模板浸入所述陶瓷漿料中，充分浸漬后，擠出多余漿料，室溫干燥形成胚體，然后將坯體依次進行熱解、碳化，制備得到所述污泥基多孔陶瓷海綿。
本申請還提供一種所述制備方法制備得到的污泥基多孔陶瓷海綿。
本申請還提供一種所述污泥基多孔陶瓷海綿作為吸附劑或作為電極材料在含磷廢水處理中的應用。
本申請還提供一種含磷廢水的處理方法，將所述污泥基多孔陶瓷海綿作為吸附劑加入含磷廢水中，所述吸附劑的加入量為10～30mg/mL。
與現有技術相比，本申請至少具有如下有益效果之一：
(1)多孔陶瓷海綿孔隙率高，吸附性能優異，尤其對磷酸鹽具有較高的吸附效率，可有效解決水體富磷問題，吸附磷后的材料可釋放磷，從而作為土壤磷肥施用，并實現材料的再生利用。
(2)制備方法簡單，條件溫和，成本低廉，以污水廠剩余污泥作為原料，實現固廢的高效利用，解決了剩余污泥含水率高、脫水難的問題，既避免了其對環境的污染，又為固體廢棄物的處置和循環利用提供了一種新的途徑。
(3)大大提高了污水廠剩余污泥固廢的綜合利用效率，具有較高的經濟、社會和環境效益。
(4)本申請利用污泥基多孔陶瓷海綿電促總磷吸附的方法簡單實用，對磷的去除率在98％以上，最高可達100％，其對解決剩余污泥的資源化利用，實現以廢治廢具有重要意義。
（發明人：何彩霞;梁禹翔;郭然;曹甜甜;李平麗;陳英;沈信權;朱曉晴;宋雪紅;金阿南）
