摘要
造纸污泥（PS）是制浆造纸过程中废水处理的主要副产物，热解技术可实现PS减量化、无害化、稳定化和资源化利用，是一种极具发展前景的污泥处置方式。但PS的灰分含量较高，其生物油存在产率低、热值低等问题，难以直接作为燃料使用。与PS相比，生物质的灰分含量较低、挥发分含量较高。在PS热解过程中添加生物质，可以弥补PS单独热解的不足，提高热解效率，改善产物品质。因此，本文以PS和玉米秸秆（CS）为研究对象，深入研究热解温度和原料比例等因素对共热解特性、产物产率、组成与理化性质以及相互作用的影响规律，解析PS与CS共热解过程中的成炭机制，探究PS与CS共热解炭（污泥生物炭）对亚甲基蓝的吸附特性，该研究可为PS和生物质高效热化学转化与高值化利用提供理论依据。 首先，利用热重分析开展了PS与CS共热解特性及动力学方面的研究，探究了PS与CS掺混比例（8:2、6:4、4:6、2:8）和升温速率（10、15、20和25℃·min-1）对原料共热解失重特性的影响。随着CS所占比例从20%增加到80%，起始分解温度从259.9℃升高到281.8℃，最大失重速率由5.29%·min-1增加至15.36%·min-1， 800℃时的固体残余率由56.25%降低至34.09%，活化能E由56.66 kJ·mol-1增加至71.27 kJ·mol-1。升温速率从10℃·min-1增加到25℃·min-1，混合物6CS4PS热解起始分解温度从 272.1℃升高到 279.7℃，最大失重速率由 5.58 %·min-1增加至14.13%·min-1 ， 800℃时的固体残余率由40.15%增加至41.39%，活化能E由64.09 kJ·mol-1增加至66.32 kJ·mol-1。通过理论值与试验值之间的比较，发现PS与CS共热解存在相互作用，对低温区的共热解过程起抑制作用，对高温区的共热解过程起促进作用，当CS添加量为60%时，相互促进作用尤为明显。 其次，利用小型固定床反应器进行了PS与CS共热解试验研究，探索了热解温度（400、500、600和700℃）和原料比例对三相产物产率、化学组成与分布的影响规律。当 PS与 CS比例为 2:8、热解温度为 500℃时，生物油的产率最大为31.00%。当PS与CS比例为4:6、热解温度为600℃时，生物油中酚类和酸类含量达到最高，分别为 27.24%和 43.62%，芳香烃含量在 700℃下达到最大值为45.03%。当热解温度一定时，随着CS比例的增加，CO和H2的含量逐渐增加，CO2的含量逐渐降低，当CS与PS比例为4:6时，C1~C3小分子含量最高。相互作用分析表明，较高的温度和CS添加量促进了气体产率，抑制了液体产率，PS与CS共热解促进了酸类物质的生成，抑制了呋喃和芳烃类物质的生成。CS的加入，抑制了CO2和H2的生成，促进了CO的产生。 最后，采用元素分析、工业分析、BET、FTIR、SEM和XRD等对污泥生物炭的元素与灰分组成、比表面积及孔容、表面官能团、形貌和微晶结构等进行了系统表征。结果表明，污泥生物炭表面主要存在芳香环结构的官能团。在700℃下，随着CS添加量从20%增加到80%，污泥生物炭的H/C值由0.48降低到0.36。当PS与CS质量比为6:4、热解温度为700℃时，污泥生物炭比表面积和微孔比表面积最大，分别为64.12 m2·g-1和45.38 m2·g-1，这是挥发分析出和PS中的灰分共同作用的结果。当热解温度为700℃时，随着CS添加量从20%增加到80%，污泥生物炭对亚甲基蓝的吸附平衡容量由43.47 mg·g-1降低到36.56 mg·g-1。当PS与CS比例为6:4、热解温度为400℃时，污泥生物炭对亚甲基蓝的吸附容量最大为44.66 mg·g-1。pH和环境温度对污泥生物炭的吸附性能有影响，随着pH升高，污泥生物炭的吸附容量先增加后降低，在pH为7.0、温度为55℃时，污泥生物炭的吸附容量达到95.65 mg·g-1。
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