市政污泥衍生碳材料制备及其应用特性研究.pdf

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1、市政污泥衍生碳材料制备及其应用特性研究胡艳军 教授/博导 郭倩倩 博士/讲师浙江工业大学 机械工程学院第十一届海南省科技论坛 暨海南生态文明大讲堂2022第十三届中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 11研究背景 污泥产量与日俱增，2020年已超过6000万吨。无害化处理和资源化利用水平不高，国家大力推广能量和物质回收利用。01000200030004000500060007000800090001000020112012201320142015201920202025产量（吨）2011-2020我国每年平均污泥产量21研究背景有机物质无机物质15%-40%死细菌细胞有机污染物二氧化硅铁盐

2、氧化钙氧化铝氧化镁过度金属微生物 高比表面积与多层分孔结构 高石墨化程度与致密碳骨架 富含N、O杂原子热化学转化无机物模板N/O 杂原子n 污泥具有制备高值化碳材料的潜力污泥组分固废衍生炭基材料3可再生、可循环、含碳量丰富工艺复杂、成本高昂高比表面积、高比电容、高循环效率强导电性、良好的速率性能介于传统电容器与电池之间的新型储能装置活性碳碳气凝胶碳纳米管石墨烯基碳纳米结构常见用于制备超级电容器电极的炭基材料高比表面积、良好的导电性能稳定的化学性能、较宽的工作温度超级电容器Super capacitor传统炭基材料Traditional carbon-based materials固废炭基材料B

3、io-charcoal中国 CSR 股份有限公司基于活性碳超级电容器的电车水稻秸秆废弃咖啡渣花生壳简单制备工艺1研究背景-碳材料应用4生物质原料u物理活化反应介质：水蒸汽、CO2等反应环境：600-900碳化，400-1200活化无污染，操作简单，但制备的碳材料比表面积不大,活化温度要求高u化学活化反应介质：KOH、NaOH、H3PO4、ZnCl2等反应环境：惰性气氛450-900 活化温度低且耗时短，炭材料孔隙发达化学活化剂的用量大,设备腐蚀严重u直接碳化反应介质：原料反应环境：惰性气氛下直接热解碳化原料内部需存在一定的造孔模板和活化剂对原料性质要求高u水热碳化反应介质：原料反应环境：密封高

4、压反应釜180-250碳化反应条件温和，适用于高湿物料，所得固体产物用途广泛高值化利用不足1研究背景-生物质衍生碳电极材料制备5采用水热碳化处理污泥u 替代传统干化处理，具有能量收益优势u 初步获得具有多孔、富含官能团的水热炭有机物质无机物质15%-40%死细菌细胞有机污染物二氧化硅铁盐氧化钙氧化铝氧化镁过度金属微生物活化水热碳化生物质污泥水稻秸秆电极材料炭基材料1研究背景-如何利用高含水率污泥制备电极材料？61.污泥水热碳化-活化制备炭基材料方法、炭基材料特性分析及工艺优化Hydrothermal CarbonizationActivation With KOHSSHCHCACStructu

5、ral propertiesElectrochemical Characterizationu 设计污泥水热-活化制备炭基材料工艺，评价炭基材料性能，优化工况；u 获得水热-活化工艺制备炭基材料的耦合作用主要研究工作 7SSRSRSHACl N-dopingl Structure orientationl Graphitizationl Carbon skeleton stabilizationCNHSludge flocsSuspended particlesBacteriaFilamentous bacteriaLigninHemicelluloseCellulose2.污泥耦合生物质水热

6、碳化-活化炭基材料电化学特性分析u 获得污泥耦合生物质共水热碳化及活化规律u 污泥耦合生物质炭基材料的制备方法及其电化学特性主要研究工作 8HC2401 mPC1 mPAC1 mHCAC2401 mu 污泥水热碳（HC）u 污泥水热活化碳（HCAC）u 污泥热解活化碳（PAC）u 污泥热解碳（PC）HCPC表面平整致密光滑多孔结构完整碳骨架有部分孔洞无分层分层属性层状HCACPAC团聚状结构和孔状结构多孔结构孔状结构层状分层属性层状污泥水热活化碳和热解活化碳均显现出三维立体的多孔层状结构污泥衍生碳材料表面形貌特征9样品比表面积（m2/g）孔容（cm3/g）平均孔径（nm）微孔面积（m2/g）微