[发明专利]由城市污泥、工业污泥、堆肥和烟草废料获得的催化吸附剂及其制造方法

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2005年9月8日提交的美国临时专利申请60/715,788；2006 年3月14日提交的60/782,593；和2006年5月17日提交的60/801,545的 优先权。这些申请全文经引用并入本文。

技术领域

本发明涉及由不同类型的污泥单独或与堆肥材料一起热解而形成催化 吸附剂。所述污泥包括城市污泥、工业污泥、废油污泥和金属基污泥。堆 肥材料可以包括烟草废料。

背景技术

对环境的关注日益增加，因而开发了新的环保技术、新材料和减少废 料并使废料最少化的新方式。当代社会大量产生的废料之一是城市污水污 泥，常被称作生物固体。生物固体是城市污水的有机成分的需氧和厌氧消 化中产生的废生物质与无机材料(例如砂石和金属氧化物)的混合物。其 它污泥包括来自例如造船厂、铸造厂或造纸厂之类的工业的废料。据估计， 美国产生约1千万吨(折干计算)污水污泥。此外，在欧盟产生的8百万 -1千万吨干污泥中，仅瑞典就占220,000吨(折干计算)。

已经使用各种方法处置或利用城市污水污泥，包括焚烧、掩埋、路面 铺设、转化成肥料、压制成建筑构件和碳化。自1976年来，已经发布了关 于污水污泥的碳化和最终材料的各种用途的数个专利。在化学活化剂(例 如氯化锌和硫酸)存在下的污泥碳化产生了新型吸附剂，其创造性地用于 例如水净化最终阶段中的有机物去除和氯化有机物去除之类的工艺中。脱 水工艺/干燥后的工业污泥用作填埋物或主要作为危险废物处置。

将污泥碳化以便从气相或液相中去除污染物是基于通常选择活性炭这 一事实。这是由于它们大的表面积和高的孔体积。通常，活性炭的这些特 性不够有效，以致不能留住与碳表面的分散性相互作用相当弱的某些分子， 尤其是小分子。在这类情况下，必须使碳表面改性以产生特定的相互作用。 这些相互作用包括氢键合、络合、酸/碱反应或氧化还原法。幸运地，在是 碳的情况下，存在着产生改性表面的多种技术并相对容易实现。实例是用 各种氧化剂(例如强酸、臭氧或空气)氧化，用催化金属或还原/氧化化合 物浸渍，在杂原子源(例如氯或氮化合物)存在下热处理，及其它。

由于上述处理，在表面上引入新的官能团/化学物质。它们与要去除的 物质产生了特定和/或化学相互作用。为了使去除法有效，这些物质的化学 状态和它们在表面上的分散是重要问题。另一重要挑战是保持碳多孔性， 其对于污染物的保留/储存是关键优点。因此，可以以最少降低表面积/孔隙 的方式进行表面改性。

考虑上述要求，在一些情况下，碳表面的改性除了是一个挑战外，还 与高成本有关，尤其是在涉及贵金属或催化金属时。工业污泥，如来自造 船厂或其它重金属工业的那些，富含催化过渡金属。通过这些材料的热解， 不仅降低了废料量，还可以将对环境有害的废料再循环并转化成有价值的 产品。这些产品在使用时，可以安全处置，因为这些金属通过高温固态反 应而发生的矿化作用显著降低了材料的浸出。

之前已经详细研究了污水污泥的碳化法并描述在文献中。由处理而获 得的材料具有100至500平方米/克的表面积。它们作为硫化氢、二氧化硫、 碱性或酸性染料、酚或汞的吸附剂的性能据称与活性炭相当或更好。在许 多方法中，这些材料的优异吸附能力与最终产品中以各种形式存在的金属 的催化作用有关。它们的化学形式以及在表面上的位置据称是控制污染物 去除能力的重要因素。在一些情况下，废料被混合在一起，并由于组分之 间的协同作用，获得了更有效的吸附剂。

通过污泥热解获得的吸附剂可以被视为复杂的伪复合材料。但是，之 前已经详细研究了生物固体的碳化方法并描述在文献中。最近已经表明， 通过城市污水污泥衍生肥料的简单热解，可以获得特别好的用于 去除含硫气体的吸附剂。去除能力是椰壳基活性炭的两倍。但这是由于例 如铁、铜、锌或钙的金属的无机氧化物的特定组合。基于纯无机相在含硫 气体去除中的表现，排除氧化物(这些氧化物同样常用作硫化氢氧化或二 氧化硫吸附的催化剂)的无机相或组合的主要影响。在950℃加热的纯无 机相的容量可忽略不计。数据还表明，发生了硫化氢的氧化，直至所有微 孔(大小主要为大约可能位于碳质沉积物内或在碳/氧化物界面上) 被反应产物填充。碳质沉积物的形式是重要的，且该沉积物可以在吸附容 量中起到一定作用。