CN101544456A - 减少温室气体排放的复合材料及应用 - Google Patents

Abstract

一种减少温室气体排放的复合材料及应用，其特征是由富含硫酸盐和三价铁氧化物或氢氧化物的原料混合组成，复合材料中S∶Fe摩尔比为20∶1～1∶3，所述复合材料为颗粒或粉末状固体物质，将本发明复合材料颗粒或粉末投加到富含有机物和厌氧微生物的环境中，如水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋、垃圾填埋场，在复合材料和微生物的作用下，可有效抑制甲烷菌的活性，转化不稳定的有机碳为无机碳酸盐，减少温室气体的排放。

Description

减少温室气体排放的复合材料及应用

技术领域

本发明涉及一种用来减少富含有机物和厌氧微生物环境中排放温室气体的复合材料及及应用，更具体地说是一种用来抑制甲烷产生、转化不稳定的有机碳为无机碳，减少温室气体排放的复合材料及其使用方法。

背景技术

在湖泊、水库、海湾、平原河沟和沟渠、城市河流、城市景观水体的底泥以及垃圾填埋场等环境通常含有丰富的有机物，这些有机物在厌氧微生物的作用下，如纤维素水解菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌等，会产生甲烷、硫化氢、二氧化碳等气体。底泥中有机物厌氧产生的硫化氢与底泥中的铁等金属离子反应被固定在底泥中。底泥中有机物厌氧产生的CO₂在水中有较大的溶解度，在与大气的平衡中缓慢释在放大气中。底泥中有机物厌氧产生的甲烷及其它微量气体，在水中的溶解度很低，会直接排放到大气中，常常产生恶臭，并且由于甲烷气的集中释放导致底泥上浮，在水动力作用较弱的水环境中，水体表面产生浮渣，这种现象在城市景观水体时常发生。

目前，国内外对垃圾填埋场的甲烷气体普遍采用收集发电的方式加以利用，而对于其他各种环境产生的甲烷气尚不能加以利用。国内外对如何采取措施，减少湖泊、水库、海湾、平原河沟和沟渠、城市河流、城市景观水体富含有机物的底泥因厌氧作用产生甲烷及其伴生的环境问题，尚在广泛的探索之中。

人类对能源的需求越来越大，人类消耗的能源主要还是石油、煤炭等化石燃料。化石燃料的燃烧是人类活动对大气CO₂贡献的主要方式。如何减少CO₂的排放世界各国都在开展深入的研究。鉴于燃煤发电是化石燃料消耗的主体，如何处理燃煤电站排放的CO₂是温室气体减排技术开发的焦点。目前，对燃煤电站CO₂的处理已经探索了很多途径，包括CO₂资源化、CO₂驱油、CO₂驱煤层气、矿物固定、地下贮藏等，这些技术方法处理大量的CO₂在技术经济方面还面临很大的问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有温室气体减排技术所存在的不足之处，提供一种减少温室气体排放的复合材料及应用。针对水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋、垃圾填埋场等厌氧环境排放甲烷和产生水体内源污染严重的问题，以本发明复合材料抑制甲烷菌活性、转化固定底泥中有机碳为无机炭，从而阻止温室气体的排放。

本发明解决问题采用如下技术方案：

本发明减少温室气体排放的复合材料的特点是由富含硫酸盐和三价铁氧化物或氢氧化物的原料混合组成，复合材料中S∶Fe摩尔比为20∶1～1∶3，所述复合材料为颗粒或粉末状。

本发明减少温室气体排放的复合材料的特点也在于：

所述富含硫酸盐的原料包括天然石膏矿石、或硬石膏矿石、或以石膏为主要成分的工业废渣，其中的硫酸根的质量百分比不小于10％。

所述富含三价铁氧化物、或氢氧化物的原料中铁的质量百分比不小于5％，包括褐铁矿矿石、或赤铁矿矿石、或硫酸烧渣、或含铁高于7％的粘土材料。

本发明复合材料用于减少温室气体排放的方法的特点是将所述复合材料颗粒、或粉末投加到富含有机物和厌氧微生物的环境中，所述富含有机物和厌氧微生物的环境包括水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋、垃圾填埋场。

本发明复合材料用于减少温室气体排放的方法的特点也在于所述复合材料的投加方法为：

当所述复合材料应用于富含有机物和厌氧微生物的水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋时，复合材料直接均匀撒入水体，投加量为所述水体的底泥最上部10cm厚度内可生物降解有机碳的10-30倍；

当所述复合材料应用于垃圾填埋场时，按照复合材料与垃圾的质量比为1∶100-1000的比例相混或填埋，或者作为垃圾分层填埋的覆盖层。

石膏和硬石膏、铁氧化物和氢氧化物可以在环境有机质存在时被硫酸盐还原菌、铁还原菌等SRB利用作为电子受体，也即是说可以被微生物分解，产物是碳酸盐和铁硫化物；在硫酸盐矿物存在的厌氧环境中，基本无气体排出，甲烷的产生受到抑制，产生的C0₂因系统pH值提高，诱导沉淀转化物碳酸盐矿物，H₂S转化为硫化物矿物；铁氧化物、氢氧化物矿物对硫酸盐矿物分解、有机物转化有协同作用，其机理是固定硫离子、提高pH值；向富含有机物的环境中投加硫酸盐矿物和铁氧化物复合材料产生的环境效应包括减少CO₂、CH₄的排放，固定重金属、磷。

由于硫酸盐和铁氧化物对底泥中氧化还原电位的缓冲作用，使底泥的氧化还原电位稳定处于硫酸盐还原阶段，抑制甲烷菌的活性，阻止了温室气体甲烷的产生，同时避免了因底泥甲烷气体排出导致的底泥上浮和水体表面出现浮渣层现象，改善了湖泊、河流、景观水体的环境质量。由于硫酸盐的还原和铁氢氧化物的分解导致pH值升高，代谢产物二氧化碳溶解在水中，与钙离子结合形成碳酸盐沉淀，转化固定不稳定的有机碳为无机碳，减少了无机碳的排放。硫酸盐生物还原形成的硫离子与还原溶解产生的铁离子结合形成硫化物沉淀，防止了硫化氢产生。

铁氧化物、氢氧化物还原被铁还原菌还原、产氢菌产生的氢气还原、硫化氢还原，硫酸盐矿物因硫酸盐还原菌还原硫酸根导致溶解。

复合材料发生的化学反应可以用如下方程是来表达：

CaSO₄＝Ca2⁺+SO₄ ^2-

FeOOH+e+3H⁺＝Fe²⁺+2H₂O

2CH₂O+SO₄ ^2-＝2HCO₃ ^-+H₂S

Ca²⁺+HCO₃ ^-＝CaCO₃+H⁺

H₂S+Fe²⁺＝FeS+2H⁺

环境效应表现为，分解1摩尔的石膏、1摩尔的针铁矿，产生1摩尔的碳酸盐、1摩尔铁硫化物，固定1摩尔的碳有机碳为无机炭。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是一种通过复合材料的投加，在厌氧微生物作用下，抑制甲烷菌的活性，转化固定不稳定有机碳为无机碳，实现温室气体减排。

2、本发明的复合材料原料来源广泛，价格低廉，可以使用磷石膏、脱硫石膏、硫酸烧渣等固体废弃物，也可以使用富铁粘土、富含硫酸盐的岩石。

3、本发明复合材料抑制富含有机物底泥中甲烷等不溶气体产生，有效防止了因甲烷释放引起水体产生浮渣。

4、本发明复合材料中主要成份之一的石膏或硬石膏或其它以石膏为主要成分的废渣，其功能主要是向底泥中供给硫酸根作为电子的受体，促进和强化底泥中硫酸盐还原菌的活性，在底泥中硫酸盐还原菌的作用，消耗和降解底泥中的有机物，并使底泥的氧化还原电位稳定处于硫酸盐还原阶段，抑制甲烷菌的活性，阻止了温室气体甲烷的产生，固定生物代谢产生的无机碳为不溶性碳酸盐，从而有效减少甲烷菌、二氧化碳等温室气体的排放量。

5、本发明复合材料褐铁矿矿石、硫酸烧渣或赤铁矿矿石的功能主要是在作为电子受体的同时向底泥中供给铁离子，可以有效固定硫酸盐还原菌产生的硫离子，防止硫化氢气体的释放、溢出影响环境以及对硫酸盐还原菌活性的抑制，促进和强化底泥中硫酸盐还原菌的活性。

6、该复合材料属于颗粒状、或粉料，可以直接均匀撒入水体，依靠颗粒、或粉料的重力沉入水体，并进入底泥一定的深度，使用方法十分简便。

附图说明

图1为实施例1模拟实验固体产物的X射线衍射图谱，其中显示有残留的针铁矿G和新生的方解石C。

图2为实施例1模拟实验固体产物的扫描电镜图像，其中规则菱面体为有机碳转化形成的方解石，其中不规则的细小叶片状颗粒为新生铁硫化物。

图3为实施例2模拟实验固体产物的扫描电镜图像，其中规则菱面体为有机碳转化形成的方解石，其中不规则的细小叶片状颗粒为新生铁硫化物。

具体实施方法

实施例1：

把天然石膏与针铁矿矿石分别破碎成小于10目的粉体，按照质量比为1∶1的比例混合即成为用于温室气体减排的复合材料。

使用时首先取样测得池塘底泥上部10cm-20cm深度范围内有机碳的含量，按照底泥有机碳与复合材料质量比为1∶1～1∶2的量，把复合材料均匀撒入池塘的水中，由于该粉体颗粒较粗，复合材料颗粒可以沉入底泥的不同深度，由于硫酸盐还原菌、铁还原菌等微生物的还原溶解作用，抑制甲烷产生，转化不稳定的有机碳为稳定的无机碳。实验室内实验结果表明，投入复合材料后，底泥不再产生甲烷，石膏被消耗，有机碳转化为无机碳方解石，有大量铁硫化物产生，如图1和图2所示。

实施例2：

把天然硬石膏与针铁矿矿石分别破碎成小于10目的粉体，按照质量比为1∶1的比例混合即成为用于温室气体减排的复合材料。

使用时首先取样测得池塘底泥上部10cm-20cm深度范围内有机碳的含量，按照有机碳与复合材料质量比1∶1～1∶2的量，把复合材料均匀撒入城市景观水体中，由于该粉体颗粒较粗，复合材料颗粒可以沉入底泥的不同深度，由于硫酸盐还原菌、铁还原菌等微生物的的还原溶解作用，抑制甲烷产生，转化不稳定的有机碳为稳定的无机碳。实验室内实验结果表明，投入复合材料后，没有产生甲烷，硬石膏被消耗，有机碳转化为无机碳方解石，有大量铁硫化物产生，如图3所示。

实施例3：

把富含硫酸钙的废渣与富含铁的红色粘土破碎成小于100目的粉体，按照质量比为1∶2的比例混合即成为用于温室气体减排的复合材料。把该复合材料用于垃圾填埋场的覆土，每层厚度按照3-10cm铺设，有效地抑制垃圾填埋场甲烷排出。实验室内实验结果表明，垃圾发酵不再产生排气，既没有CO₂产生，也没有H₂S、甲烷气体产生。用氮气吹脱，收集气体用气相色谱分析也没有检测到甲烷的存在，原因是硫酸盐、铁氧化物存在，抑制了甲烷菌活性，代谢产生的CO₂由于系统pH升高被吸收转化为方解石，H₂S被转化为铁硫化物。

Claims (5)

1、一种减少温室气体排放的复合材料，其特征是由富含硫酸盐和三价铁氧化物或氢氧化物的原料混合组成，复合材料中S∶Fe摩尔比为20:1～1:3，所述复合材料为颗粒或粉末状。

2、根据权利要求1所述的一种减少温室气体排放的复合材料，其特征是所述富含硫酸盐的原料包括天然石膏矿石、或硬石膏矿石、或以石膏为主要成分的工业废渣，其中的硫酸根的质量百分比不小于10％。

3、根据权利要求1所述的一种减少温室气体排放的复合材料，其特征是所述富含三价铁氧化物、或氢氧化物的原料中铁的质量百分比不小于5％，包括褐铁矿矿石、或赤铁矿矿石、或硫酸烧渣、或含铁高于7％的粘土材料。

4、一种权利要求1所述复合材料用于减少温室气体排放的方法，其特征是将所述复合材料颗粒、或粉末投加到富含有机物和厌氧微生物的环境中，所述富含有机物和厌氧微生物的环境包括水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋、垃圾填埋场。

5、根据权利要求4所述的复合材料用于减少温室气体排放的方法，其特征是所述复合材料的投加方法为：

当所述复合材料应用于富含有机物和厌氧微生物的水塘、城市景观水体、河流、沟渠、稻田、人工湿地、沼泽、湖泊、海洋时，复合材料直接均匀撒入水体，投加量为所述水体的底泥最上部10cm厚度内可生物降解有机碳的10-30倍；

当所述复合材料应用于垃圾填埋场时，按照复合材料与垃圾的质量比为1:100-1000的比例相混或填埋，或者作为垃圾分层填埋的覆盖层。

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