一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法

1.本发明涉及废水处理技术领域，特别是涉及一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法。


背景技术：

2.随着污水处理规模日益扩大，市政污泥产量也相应增加，污泥问题未得到妥善解决，污水处理厂的污泥只有小部分进行稳定化处理和土地利用、焚烧和建材利用等，大部分污泥未进行规范化的处理处置。根据剩余污泥富含物质的特性进行高附加值的应用，使污泥资源化利用是污泥处置的重点目标。剩余污泥是一种高含水、易腐败的有机固废，处理不当将会产生环境的二次污染，结合污水处理厂污泥的特定性质，应充分考虑污泥的“资源”和“污染”双重属性，实现环境、经济和社会效益的最大化。
3.多孔陶瓷材料不仅具有普通陶瓷材料所具有的优点，相较于聚合物或者金属，陶瓷材料具备高硬度、高稳定性、抗热震性、耐腐蚀及耐磨性等特点，而且由于其气孔分布均匀、气孔率大、体积密度小、比表面积大等特点，其在环保领域中，常被用来去除重金属离子。而污泥中含有约20～30％的无机物，包括硅、铝、铁、钙等，与陶瓷材料的原材料相似；木质素分子结构中含有多种官能团，且燃烧过后具有多孔结构，可以为污染物提供更多吸附空间；生物炭纳米零价铁因具有比表面积大、反应位点致密等优点，被广泛应用于水体重金属的治理，对水中许多金属离子具有良好的去除效果，因此，若可以将剩余污泥、木质素与生物炭纳米零价铁结合制成多孔陶瓷材料，就可以有效的利用剩余污泥，实现环境、经济和社会效益的最大化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明制备得到的多孔陶瓷颗粒具有双层结构，陶粒外层添加木质素，在烧结过程中使陶粒形成孔隙率较高的多孔结构，为污染物提供更多吸附空间；且难以处理的污染物可以通过陶粒外层的孔隙进入到内层，与强还原性、高反应活性的纳米零价铁发生反应，使污染物得到更彻底的去除。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明的技术方案之一：一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒，所述多孔陶瓷颗粒由内层和外层组成；
6.所述内层，包括以下质量百分比的原料：生物炭负载纳米零价铁材料43～47％、粘土24～32％和水28～33％；
7.所述外层，包括以下质量百分比的原料：污泥裂解灰14～18％、污泥22～25％、粘土13～15％、木质素9～15％和水28～33％。
8.更近一步地，所述污泥裂解灰为剩余污泥裂解灰；所述污泥为城市污水厂剩余污泥。
9.进一步地，所述外层的固体原料的粒径均为50～150μm；所述内层的固体原料的粒径均为150～200μm；所述内层和外层的质量比为(0.8～1.2)：1。
10.本发明的技术方案之二：一种上述环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法，包括以下步骤：
11.(1)按质量百分比称取内层的各个原料，混合均匀，搅拌成泥状，然后造粒、熟化、干燥，得到内层颗粒；
12.(2)按质量百分比称取外层的各个原料，均匀混合，搅拌成泥状，然后加入所述内层颗粒进行包裹，得到陶粒生料，最后将陶粒生料熟化、干燥、煅烧，得到所述多孔陶瓷颗粒。
13.进一步地，步骤(1)中，所述造粒的平均粒径为3～8mm；
14.进一步地，步骤(1)中，所述熟化的温度为20～27℃，时间为12～24h；所述干燥为自然风干，时间为12h。
15.进一步地，步骤(2)中，所述陶粒生料的平均粒径为4～12mm。
16.进一步地，步骤(2)中，所述熟化的温度为20～27℃，时间为12～24h；所述干燥的温度为90～130℃，时间为2～4h。
17.进一步地，步骤(2)中，所述煅烧具体为：先在200～280℃煅烧20～30min，然后升温至400～550℃煅烧40～60min，最后升温至750～1550℃煅烧60～180min。
18.进一步地，步骤(2)中，所述煅烧在氮气气氛下进行。
19.本发明的技术方案之三：一种上述环保型多孔陶瓷颗粒在水处理中的应用。
20.本发明公开了以下技术效果：
21.(1)本发明的处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒具有双层构造，良好的吸附性能，吸附空间大，吸附位点多，成本低廉，在对剩余污泥固体废物进行资源化利用的同时，提高了废水处理的效率，具有良好的应用前景。
22.(2)本发明通过控制内外层材料参数，使多孔陶瓷形成双层孔径分布的结构，陶粒外层的木质素在烧结过程中使陶粒形成孔隙率较高的多孔结构，为污染物提供更多吸附空间；且难以处理的污染物可以通过陶粒外层的孔隙进入到内层，与强还原性、高反应活性的纳米零价铁发生反应，使污染物得到更彻底的去除。为剩余污泥的处置和资源化提供了方法。
23.(3)本发明利用剩余污泥固废作为制备陶粒的主要材料，该陶粒具有双层构造，通过在陶粒外层添加木质素为污染物提供更多吸附空间；难以处理的污染物通过陶粒外层的孔隙与内层强还原性的纳米零价铁发生反应，使污染物得到更彻底的去除。该双层结构陶粒在提高酸性矿山废水处理效果的同时，将剩余污泥固体废物进行了资源化利用，具有良好的应用前景。
具体实施方式
24.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
25.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每
个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
26.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
27.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
28.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
29.以下实施例所述的“份”均为“质量份”。
30.本发明以下实例采用的生物炭负载纳米零价铁材料从网上购买。
31.实施例1
32.一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法：
33.环保型多孔陶瓷颗粒，由内外两层组成：
34.内层由以下质量百分比的原料组成：生物炭负载纳米零价铁材料43％、粘土27％和水30％；内层的各原料平均粒径为50μm。
35.外层由以下质量百分比的原料组成：污泥裂解灰14％、污泥25％、粘土13％、木质素15％和水33％；外层的各原料平均粒径为150μm。
36.内层与外层的质量比为0.8：1。
37.制备方法如下：
38.(1)将内层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后放入造粒机造粒，制备成平均粒径为5mm的颗粒，最后在20℃的空间中熟化12h，再自然风干12h，得到内层颗粒；
39.(2)将外层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后加入内层颗粒，将内层颗包裹成整体颗粒平均粒径为10mm的颗粒，得到陶粒生料。
40.(3)将陶粒生料置于20℃的空间中熟化12h，然后放入90℃的真空干燥箱中干燥2h，去除水分，得到烘干后的颗粒。
41.(4)将烘干后的颗粒先在200℃下煅烧20min，然后在400℃下煅烧60min，最后在750℃下煅烧180min，煅烧结束后冷却至室温(从升温、煅烧到降温全过程在氮气气氛下进行)，得到多孔陶瓷颗粒。
42.实施例2
43.一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法：
44.环保型多孔陶瓷颗粒，由内外两层组成：
45.内层由以下质量百分比的原料组成：生物炭负载纳米零价铁材料45％、粘土24％和水31％；内层的各原料平均粒径为100μm。
46.外层由以下质量百分比的原料组成：污泥裂解灰18％、污泥24％、粘土14％、木质
素12％和水32％；外层的各原料平均粒径为180μm。
47.内层与外层的质量比为1：1。
48.制备方法如下：
49.(1)将内层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后放入造粒机造粒，制备成平均粒径为3mm的颗粒，最后在25℃的空间中熟化18h，再自然风干12h，得到内层颗粒；
50.(2)将外层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后加入内层颗粒，将内层颗包裹成整体颗粒平均粒径为5mm的颗粒，得到陶粒生料。
51.(3)将陶粒生料置于25℃的空间中熟化18h，然后放入100℃的真空干燥箱中干燥3h，去除水分，得到烘干后的颗粒。
52.(4)将烘干后的颗粒先在240℃下煅烧30min，然后在480℃下煅烧50min，最后在1000℃下煅烧120min，煅烧结束后冷却至室温(从升温、煅烧到降温全过程在氮气气氛下进行)，得到多孔陶瓷颗粒。
53.实施例3
54.一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法：
55.环保型多孔陶瓷颗粒，由内外两层组成：
56.内层由以下质量百分比的原料组成：生物炭负载纳米零价铁材料46％、粘土26％和水28％；内层的各原料平均粒径为150μm。
57.外层由以下质量百分比的原料组成：污泥裂解灰16％、污泥23％、粘土15％、木质素13％和水33％；外层的各原料平均粒径为200μm。
58.内层与外层的质量比为1.2：1。
59.制备方法如下：
60.(1)将内层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后放入造粒机造粒，制备成平均粒径为8mm的颗粒，最后在27℃的空间中熟化24h，再自然风干12h，得到内层颗粒；
61.(2)将外层原料混合均匀，搅拌至泥状，然后加入内层颗粒，将内层颗包裹成整体颗粒平均粒径为12mm的颗粒，得到陶粒生料。
62.(3)将陶粒生料置于27℃的空间中熟化24h，然后放入130℃的真空干燥箱中干燥2h，去除水分，得到烘干后的颗粒。
63.(4)将烘干后的颗粒先在280℃下煅烧25min，然后在550℃下煅烧40min，，最后在1550℃下煅烧60min，煅烧结束后冷却至室温(从升温、煅烧到降温全过程在氮气气氛下进行)，得到多孔陶瓷颗粒。
64.分别取实施例1、实施例2和实施例3制备得到的环保型多孔陶瓷颗粒10g放入ph值为3.2的酸性矿山废水中吸附24h，处理前后的水质指标如表1所示。
65.表1
[0066][0067]
结果表明，本发明制备得到的环保型多孔陶瓷颗粒对酸性矿山废水中的重金属具
有较好的去除效果，并且能将ph调节至8.0-9.0，提高了废水的处理效率。
[0068]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒，其特征在于，所述多孔陶瓷颗粒由内层和外层组成；所述内层，包括以下质量百分比的原料：生物炭负载纳米零价铁材料43～47％、粘土24～32％和水28～33％；所述外层，包括以下质量百分比的原料：剩余污泥裂解灰14～18％、剩余污泥22～25％、粘土13～15％、木质素9～15％、和水28～33％。2.根据权利要求1所述的环保型多孔陶瓷颗粒，其特征在于，所述外层的固体原料的粒径筛分至150～200μm；所述内层的固体原料的粒径筛分至50～150μm；所述内层和外层的质量比为(0.8～1.2)：1。3.根据权利要求1～2任一项所述的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按质量百分比称取内层的各个原料，混合均匀，搅拌成泥状，然后造粒、熟化、干燥，得到内层颗粒；(2)按质量百分比称取外层的各个原料，均匀混合，搅拌成泥状，然后加入所述内层颗粒进行包裹，得到陶粒生料，最后将陶粒生料熟化、干燥、煅烧，得到所述多孔陶瓷颗粒。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述内层颗粒的平均粒径为3～8mm。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熟化的温度为20～27℃，时间为12～24h，所述干燥为自然风干，时间为12h。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述陶粒生料的平均粒径为4～12mm。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熟化的温度为20～27℃，时间为12～24h；所述干燥的温度为90～130℃，时间为2～4h。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述煅烧具体为：先在200～280℃煅烧20～30min，然后升温至400～550℃煅烧40～60min，最后升温至750～1550℃煅烧60～180min。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述煅烧在氮气气氛下进行。10.根据权利要求1～2任一项所述的环保型多孔陶瓷颗粒在水处理中的应用。

技术总结
本发明公开了一种处理酸性矿山废水的环保型多孔陶瓷颗粒的制备方法，属于废水处理技术领域。环保型多孔陶瓷颗粒由内层和外层组成；内层，包括以下质量百分比的原料：生物炭负载纳米零价铁材料43～47％、粘土24～32％和水28～33％；外层，包括以下质量百分比的原料：剩余污泥裂解灰14～18％、剩余污泥22～25％、粘土13～15％、木质素9～15％和水28～33％。本发明制备的具有双层构造的多孔陶瓷颗粒在提高酸性矿山废水处理效果的同时，将剩余污泥固体废物进行了资源化利用，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。


技术研发人员：李向东 吴权佳 王铎 胡振琪 冯启言
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/13