CN116984355A - 一种利用固体废弃物制备生物炭的方法、产品及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用固体废弃物制备生物炭的方法、产品及应用，属于生物质资源化技术领域，包括以下步骤：(1)将农业废弃物与厨余废弃物分别进行预处理，备用；(2)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物混合，在惰性气体条件下，于300‑350℃进行水热碳化，持续反应3‑4h，得到生物炭。本发明还公开了上述方法制备得到的生物炭及其在吸附土壤重金属中的应用。本发明通过将农业废弃物与厨余废弃物混合制备生物炭，充分利用了厨余废弃物中的钙元素对生物炭进行改性，进而提高了所得生物炭对土壤中的重金属元素进行有效吸附。本发明充分利用了农业及厨余废弃物，工艺简单、效率高，产品质量优异，具有环境友好性。
Description
技术领域
本发明属于生物质资源化技术领域，尤其涉及一种利用固体废弃物制备生物炭的方法、产品及应用。
背景技术
有机固体废弃物主要包括污泥、农林废弃物、餐厨垃圾及厨余废弃物等，随着社会经济的发展，人类生态环境的保护和绿色循环经济的提倡，废弃物再利用成为当下处理的热门，其中，有机固体废弃物能源转化利用是可再生能源领域的研究热点之一。
生物炭是指生物质在绝氧或缺氧的条件下热解得到的富含碳的材料，可由工农业废弃物制备，并且应用于土壤改良、固碳、环境修复等方面，被认为是一种可持续的环保材料，具有优越的应用前景。生物炭具有发达的孔隙结构、较高的表面能和丰富的官能团，具有良好的吸附能力，能够吸附重金属和有机污染物，在吸附污染物方面收到了广泛的关注。
因此，如何提供更多利用有机废弃物制备生物炭的方法，并提高生物炭的性能是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用固体废弃物制备生物炭的方法、产品及应用。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物与厨余废弃物分别进行预处理，备用；
(2)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物混合，在惰性气体条件下，于300-350℃进行水热碳化，持续反应3-4h，得到生物炭。
有益效果：本发明利用农业废弃物与厨余废弃物对生物炭进行制备，农业废弃物中的有机质含量极高，是现有技术中常见的制备生物炭的原料，而本发明中所使用的厨余废气中为含钙量较高的蛋壳、骨头和贝类外壳，经预处理后，其中的钙元素溶出，能够在水热碳化过程中充分与农业废弃物接触，同时降低水热碳化温度，最终得到富钙生物炭，能够对土壤中的重金属元素进行有效吸附。
优选的，步骤(1)中所述农业废弃物包括农作物秸秆、坚果外壳、树枝、树叶、植物花卉残体、枯草、竹木加工废弃物中的一种或任意几种的混合。
优选的，步骤(1)中所述厨余废弃物包括蛋壳、骨头、贝类外壳中的一种或任意几种的混合。
优选的，步骤(1)中所述农业废弃物的预处理包括以下步骤：
将农业废弃物干燥后粉碎，然后与胺化剂混合进行水热反应，反应结束后干燥，得到预处理后的农业废弃物。
优选的，所述胺化剂包括氨水、碳酸氢铵溶液或氯化铵溶液。
更为优选的，所述胺化剂浓度为10-20g/L。
优选的，所述水热反应的温度为100-120℃，时间为2-3h。
优选的，粉碎后的农业废弃物与胺化剂的质量比为1:(2-5)。
有益效果：本发明利用胺化剂对农业废弃物中的木质素和多糖之间的化学键进行破坏，将不溶的木质素变为较易溶的羟基木质素，结晶纤维素变成无定形纤维素，引起细胞膨胀，使得原料结构变得疏松，提高氨基官能团数量，同时提高活性炭的比表面积。
优选的，步骤(1)中所述厨余废弃物的预处理包括以下步骤：
将厨余废弃物干燥后粉碎，然后与盐酸溶液混合进行水浴反应，反应结束后调节pH至中性，即得到预处理后的厨余废弃物。
优选的，所述水浴反应的温度为35-60℃，时间为4-6h。
所述盐酸溶液的质量浓度为11-20％；
优选的，粉碎后的厨余废弃物与盐酸溶液的质量比为1:(2-4)；
有益效果：本发明利用盐酸溶液对厨余废弃物进行预处理，使得其中的钙元素溶出，在将预处理后的厨余废弃物与预处理后的农业废弃物混合碳化时，促进钙元素对于生物炭的改性。
优选的，步骤(2)中所述预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物的质量比为1：(3-5)。
更为优选的，步骤(2)中所述预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物的质量比为1：4。
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法制备得到的生物炭。
一种生物炭在吸附土壤中重金属中的应用。
优选的，所述重金属包括铅和/或镉。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过将农业废弃物与厨余废弃物混合制备生物炭，充分利用了厨余废弃物中的钙元素对生物炭进行改性，进而提高了所得生物炭对土壤中的重金属元素进行有效吸附。本发明充分利用了农业及厨余废弃物，工艺简单、效率高，产品质量优异，具有环境友好性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物(质量比为1:1:1的坚果外壳、树枝和枯草)干燥至水分含量为0-5％，然后粉碎至200目以下，并加入浓度为15g/L的碳酸氢铵溶液，于110℃下水热反应2h，反应结束后过滤，并对滤渣进行干燥，得到预处理后的农业废弃物。其中，粉碎后的农业废弃物与碳酸氢铵溶液的质量比为1:3；
(2)将厨余废弃物(质量比为1:1的骨头与贝类外壳)干燥至水分含量为0-5％后，粉碎至200目以下，然后与质量浓度为16％的盐酸溶液混合，于50℃下水浴反应5h，反应结束后调节pH至中性，即得到预处理后的厨余废弃物。其中，粉碎后的厨余废弃物与盐酸溶液的质量比为1:3；
(3)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物以质量比为1:4混合，在惰性气体条件下，于330℃进行水热碳化，持续反应3.5h，得到生物炭。经检测，制得的生物炭的比表面积为2100m2/g。
实施例2
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物(质量比为1:1:1的树叶、植物花卉残体、枯草)干燥至水分含量为5％以下，然后粉碎至200目以下，并加入浓度为10g/L的碳酸氢铵溶液，于120℃下水热反应2h，反应结束后过滤，并对滤渣进行干燥，得到预处理后的农业废弃物。其中，粉碎后的农业废弃物与碳酸氢铵溶液的质量比为1:2；
(2)将厨余废弃物(质量比为1:1的蛋壳与贝类外壳)干燥至水分含量为低于5％后，粉碎至200目以下，然后与质量浓度为16％的盐酸溶液混合，于35℃下水浴反应6h，反应结束后调节pH至中性，即得到预处理后的厨余废弃物。其中，粉碎后的厨余废弃物与盐酸溶液的质量比为1:2；
(3)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物以质量比为1:5混合，在惰性气体条件下，于350℃进行水热碳化，持续反应3h，得到生物炭。经检测，制得的生物炭的比表面积为1900m2/g。
实施例3
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物(质量比为1:1的农作物秸秆、竹木加工废弃物)干燥至水分含量为0-5％，然后粉碎至200目以下，并加入浓度为20g/L的碳酸氢铵溶液，于100℃下水热反应3h，反应结束后过滤，并对滤渣进行干燥，得到预处理后的农业废弃物。其中，粉碎后的农业废弃物与碳酸氢铵溶液的质量比为1:5；
(2)将厨余废弃物(质量比为1:1的骨头与蛋壳)干燥至水分含量为0-5％后，粉碎至200目以下，然后与质量浓度为16％的盐酸溶液混合，于60℃下水浴反应4h，反应结束后调节pH至中性，即得到预处理后的厨余废弃物。其中，粉碎后的厨余废弃物与盐酸溶液的质量比为1:4；
(3)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物以质量比为1:3混合，在惰性气体条件下，于300℃进行水热碳化，持续反应4h，得到生物炭。经检测，制得的生物炭的比表面积为2020m2/g。
对比例1
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，与实施例1的不同之处在于，不对农业废弃物进行预处理，即，不包括步骤(1)，其余步骤与参数均与实施例1相同。经检测，制得的生物炭的比表面积为1100m2/g。
对比例2
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，与实施例1的不同之处在于，不对厨余废弃物进行预处理，即，不包括步骤(2)，其余步骤与参数均与实施例1相同。经检测，制得的生物炭的比表面积为900m2/g。
对比例3
一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中不利用水热碳化对生物炭进行制备，而是利用常规热解，具体包括以下步骤：
(3)将预处理后的厨余废弃物除去溶剂并干燥，然后与预处理后的农业废弃物以质量比为4:1混合，在惰性气体条件下，于630℃进行热解6h，得到生物炭。经检测，制得的生物炭的比表面积为1100m2/g。
技术效果：
准确称量1.0g实施例1-3和对比例1-3生物炭，与50g实验用土混合均匀，将装入土的塑料管放置到漏斗架上，每个装置中加50mL的纯水，静置过滤，检测过滤下来的液体中重金属的剩余含量，计算得到吸附量。结果如下表1所示：
由表1可以得知，本发明实施例1-3所得生物炭对于土壤中的铅、镉、铜、锌等重金属离子均具有良好的吸附效果，尤其是对于铅和镉离子的吸附，能够达到235mg/g以上的吸附量，而对比例1-2对于重金属离子的吸附量明显降低，这可能是由于本发明中的预处理过程能够对生物炭的表面进行改性，进而提高产品对于重金属的吸附效果。对比例3的吸附效果虽然与本发明实施例1-3相比并没有显著降低，但其利用热解法进行制备，大大提高了反应温度及反应时间，进而制备成本较高，不利于进行工业推广。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将农业废弃物与厨余废弃物分别进行预处理，备用；
(2)将预处理后的农业废弃物与预处理后的厨余废弃物混合，在惰性气体条件下，于300-350℃进行水热碳化，持续反应3-4h，得到生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中所述农业废弃物包括农作物秸秆、坚果外壳、树枝、树叶、植物花卉残体、枯草、竹木加工废弃物中的一种或任意几种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中所述厨余废弃物包括蛋壳、骨头、贝类外壳中的一种或任意几种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中所述农业废弃物的预处理包括以下步骤：
将农业废弃物干燥后粉碎，然后与胺化剂混合进行水热反应，反应结束后干燥，得到预处理后的农业废弃物。
5.根据权利要求4所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述胺化剂包括氨水、碳酸氢铵溶液或氯化铵溶液。
6.根据权利要求4所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100-120℃，时间为2-3h。
7.根据权利要求1所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中所述厨余废弃物的预处理包括以下步骤：
将厨余废弃物干燥后粉碎，然后与盐酸溶液混合进行水浴反应，反应结束后调节pH至中性，即得到预处理后的厨余废弃物。
8.根据权利要求7所述的一种利用固体废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述水浴反应的温度为35-60℃，时间为4-6h。
9.如权利要求1-8任一项所述的利用固体废弃物制备生物炭的方法制备得到的生物炭。
10.如权利要求9所述的生物炭在吸附土壤中重金属中的应用。
Priority Applications (1)
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