市政污泥热解炭低温催化还原NO实验研究

• 作 者: 印安冬
• 机 构: 东华大学
• 出 处: 东华大学
• 发表日期: 2018年12期
• 关键词: 市政污泥

城市废水厂中的污泥含有很多有毒有害物质，如果不加以妥善处理，将造成严重的二次污染。热解作为常规的污泥资源化利用处理手段，其主要副产物为污泥热解炭，廉价而易得，具有广阔的应用前景。另一方面，燃煤工业和机动车向大气排放大量的NOx，不仅对环境造成破坏，并威胁人类的健康。然而，通过热解制备的热解炭中含有丰富的碳元素和优良的孔隙结构，既可作为还原剂也可作为催化剂载体，应用于脱硝反应中。因此，本文将以污泥热解炭为研究对象探寻其脱硝性能。
　　本文通过800℃，N2氛围下热解城市废水污泥制备污泥热解炭原样（S1），并对其进行酸洗（S2）、KOH活化（S3）、金属负载Fe （S4）以及H2还原（S1-HRN or S1-HRH）等方式制备各类样品，研究化学改性对NO催化还原特性的影响。在此基础上，考察污泥含水率、热解温度、CO2活化对NO转化的影响。利用工业分析、元素分析、SEM、N2-吸附脱附、H2-TPR、N2-TPD、XRD 等多种手段对污泥热解炭进行表征。此外，用漫反射原位红外光谱研究热解炭还原NO可能的反应路径。主要研究成果如下：
　　（1）系统研究了化学改性对污泥热解炭还原NO的影响。研究表明，S1因具有低价态的Fe2P和FeS，有较好NO还原性。而酸洗和KOH活化虽然能大幅提升热解炭的比表面积和含氧官能团，但同时也去除了Fe2P、FeS等低价态的铁，脱硝效率大幅下降。而热解污泥负载样中的Fe主要以Fe2O3形式存在，其脱硝效率远不如S1。
　　（2）经H2还原后，S2和S3因含氧官能团被消除，NO转化率大幅下降。而S1和S4经H2还原（N2或H2）下冷却，由于污泥中Fe组分被还原，NO转化率大幅上升。污泥中Fe组分，在250-350℃的温度范围内，作为还原剂促进NO转化，并被氧化为Fe3O4；在350-500℃，Fe3O4作为还原剂促进NO转化，最终被氧化为Fe2O3。
　　（3）通过持久性实验可知，污泥热解炭样品的NO转化率随时间延长持续下降，其原因是污泥中的Fe组分作为还原剂被氧化从而失去活性。虽然在800℃、N2氛围下可再生热解炭活性，但同时会造成碳损失。
　　（4）用原位漫反射傅里叶红外光谱可知NO吸附在热解炭表面的各类硝酸盐物种。随着温度的上升这些物种将会转化为醚基、内酯基或酚类等物种。污泥热解炭中的Fe组分与碳材料的O/N物质更容易发生反应，从而大幅提升NO转化率。
　　（5）随着污泥含水率升高，热解炭的NO转化率也越高，高含水率在热解过程中能产生H2等副产物有利于污泥中Fe组分的还原，且污泥含水率越高比表面积越大。而热解温度越高，有利于热解炭提高Fe2P组分的结晶度，从而提升NO转化率。而CO2活化因为碳流失以及Fe组分被氧化为Fe2O3从而失去反应降低了反应活性。