CN104087323A - 一种利用食用菌废料制备生物炭的方法及应用 - Google Patents

一种利用食用菌废料制备生物炭的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用食用菌废料制备生物炭的方法及应用，该方法包括：将食用菌废料除杂后风干，并烘干、粉碎过筛；粉碎后的食用菌废料以5～10℃/min升温至400～600℃进行隔氧炭化反应，反应保温1.5～2h；将炭化后的食用菌废料冷却至室温，粉碎过筛，获得生物炭。本发明以食用菌废料为原料制备的生物炭，表面官能团的含量丰富，能够高效吸附水体中的氨氮；同时通过优化食用菌废料隔氧炭化过程中的反应条件，提高了生物炭的氨氮吸附能力。

Description

一种利用食用菌废料制备生物炭的方法及应用
技术领域
本发明涉及农业资源利用技术领域，尤其涉及一种利用食用菌废料制备生物炭的方法及应用。
背景技术
随着社会经济的快速发展，食用菌越来越受到人们的青睐，食用菌生产作为一种新兴产业也得到了高度地重视和发展，然而伴随着食用菌栽培规模的迅速扩大，其生产过程中产生的大量废料也同样倍受人们的关注。食用菌废料又称菌糠、菌渣、下脚料等，是栽培食用菌后的培养料。食用菌废料如不能及时处理不仅会造成大量资源的浪费，同时也会因此滋生霉菌或发生虫害，对环境造成严重污染。为此，如何有效开发利用这些废弃生物资源，在进行无害化处理的同时，获取一定的经济效益是当前重要的研究课题。前人对食用菌废料的应用研究主要包括以下几个方面：(1)用于食用菌栽培的重复利用：将原食用菌生产中废弃的培养基进行处理重新用于食用菌或者其他园艺作物的培养；(2)用做家畜家禽的饲料：将种植各类木腐类真菌后富含氨基酸和微量元素的废料加工制作成饲料供家畜家禽食用；(3)做农田肥料使用：将富含有机物和多种矿质元素的食用菌废料施入土壤后，可形成通气良好、蓄水能力强的腐殖质，可改良土壤，提高土壤肥力；(4)用做燃料：由于食用菌废料中富含木质素、纤维素等纤维类物质，可直接燃烧提供热能。然而，由于食用菌废料中存在大量的杂菌、病源等，因此重复利用、用做饲料或制备成肥料不仅不能完全利用这些废弃资源，而且具有较大的环境风险；而直接燃烧的附加值很低，易造成资源浪费，因此，急需研发新的、具有较高附加值并且环境友好的利用方式，以实现废弃食用菌废料的高值化利用。
生物炭是一种由废弃生物质在缺氧或限氧情况下，经过高温热解产生的一种稳定的含多种表面官能团、富含碳素的固态物质，具有孔隙结构发达和高度的化学/生物稳定性分子结构的特点。生物炭经炭化后，大部分组分为碳，性质稳定，不易分解，减少了生物质腐烂变质或焚烧产生的CO2和CH4等温室气体，有利于缓解温室效应。由于碳含量高且空隙结构多，表面官能团含量丰富，抗腐蚀性好，因此，生物炭是一种理想的污染水体材料，可用做氮、磷、有机物和重金属等多种污染物的吸附剂。
然而，目前以食用菌废料为原料制备生物炭，并研究其在污染水体修复中的应用潜力还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用食用菌废料制备生物炭的方法，该方法操作简单易行，且获得的生物炭得率高，对水体中氨氮的吸附能力强。
本发明提供了一种利用食用菌废料制备生物炭的方法，包括：
(1)将食用菌废料除杂后风干，并烘干、粉碎过筛；
(2)粉碎后的食用菌废料以5～10℃/min升温至400～600℃进行隔氧炭化反应，反应保温1.5～2h，制得生物炭；
(3)将炭化后的食用菌废料冷却至室温，粉碎过筛，获得生物炭。
生物质的炭化是指有机物质受热分解而留下残渣或炭的过程，通常是在缺氧、无氧或连续供应惰性气体的状态下进行加热，随温度不断升高，最终产生具有一定固定碳质体和基础性的细微多孔结构的炭黑。以棉籽壳、木屑、甘蔗渣以及麦秆为主要组成成分的食用菌废料通过炭化过程可制备得到生物炭。但是，生物炭的得率和对污染物的吸附能力对炭化条件要求非常严格，仅在特定炭化条件才能使生物炭达到最大的得率和最佳的氨氮吸附能力。
作为优选，步骤(1)中食用菌废料风干后的含水量为15％～20％。
食用菌废料烘干过程中适宜的烘干温度和时间，是决定食用菌废料粉碎效果以及炭化效果的重要因素，作为优选，所述烘干的温度为90～105℃，时间为1.5～2h。
食用菌废料粉碎后的粒径与炭化程度有密切关系，食用菌废料粉碎后的颗粒粒径过大会使食用菌废料炭化不完全。作为优选，步骤(1)中食用菌废料粉碎过筛至10～15mm。
所述隔氧炭化反应过程中同时通入氮气，使反应压力维持在0.1MPa。作为优选，步骤(2)中粉碎后的食用菌废料以8～10℃/min升温至400～500℃进行隔氧炭化反应，反应保温2h。生物炭获得后通过粉碎可增加生物炭与待吸附溶液的接触面积，进而一定程度地提高氨氮吸附效率。其中，作为优选，步骤(3)中生物炭粉碎过筛的过筛孔径为60～100目。
作为优选，所述食用菌废料为栽培杏鲍菇后的废料。
本发明还提供了一种采用所述方法制备的生物炭，所述生物炭的酸性官能团含量为0.35～1.13mmol/g，碱性官能团含量为0.11～0.24mmol/g。该生物炭的比表面积为2.84～48.63m2/g，孔容积为0.013～0.062cc/g，孔径为1.76～117.7nm。
本发明还提供了一种采用所述方法制备的生物炭作为氨氮的吸附剂用于污染水体的修复。
本发明以食用菌废料为原料制备的生物炭，表面官能团的含量丰富，能够高效吸附水体中的氨氮；同时通过优化食用菌废料隔氧炭化过程中的反应条件，提高了生物炭的氨氮吸附能力。
具体实施方式
实施例1
取50kg栽培杏鲍菇后的杏鲍菇培养废料，将其包括薄膜在内的杂质去除，置于通风环境下自然风干，使其含水量降至15％；将杏鲍菇培养废料放入烘箱，在温度为105℃的条件下，烘干2小时，并粉碎过筛至粒径为10mrn；然后将粉碎后的杏鲍菇培养废料放入炭化炉中，并通入氮气进行高温隔氧炭化，使炭化炉腔内压力维持在0.1MPa，炭化炉以8℃/min的升温速率升温至400℃，保温2小时，将炭化后的杏鲍菇培养废料冷却至室温，并粉碎过60目筛，最终得到生物炭。
本实施例生产的生物炭如表1所示，得率为48.7％，比表面积为2.84m2/g，孔容为0.013cc/g，孔径为117.7nm，pH为9.8，灰分含量为19.7％。如表2所示，本实施例生产的生物炭K，Ca，Mg，Na含量较为丰富，而Cd，Pb等重金属含量较少。如表3所示，本实施例的酸性官能团含量为1.13mmol/g，碱性官能团含量为0.11mmol/g，总官能团含量为1.24mmol/g。
称取烘干的0.3g实施例1生物炭样品三份，分别置于100mL锥形瓶中，向锥形瓶中加入50mL含氮5mg/L的氯化铵溶液，然后将锥形瓶封口置于180r/min、25℃的恒温摇床上振荡24h，最后过滤移取上清液，采用靛酚蓝比色法对上清液中的氮进行分析计算。经检测，实施例1生物炭对NH4 +的去除率为94.7％。
实施例2
取50kg的栽培杏鲍菇后的杏鲍菇培养废料，将其包括薄膜在内的杂质去除，置于通风环境下自然风干，使其含水量降至20％，将杏鲍菇培养废料放入烘箱，在温度为105℃的条件下，烘干2小时，并粉碎过筛至粒径为15mm；然后将粉碎后的杏鲍菇培养废料放入炭化炉中，并通入氮气进行高温隔氧炭化，使炭化炉腔内压力维持在0.1MPa，炭化炉以10℃/min的升温速率升温至500℃，保温2小时，将炭化后的杏鲍菇培养废料冷却至室温，并粉碎过100目筛，最终得到生物炭。
本实施例生产的生物炭如表1所示，得率为40.7％，比表面积为19.65m2/g，孔容为0.035cc/g，孔径为16.21nm，pH为10.0，灰分含量为25.43％。如表2所示，K，Ca，Mg，Na，Fe，Mn含量较实施例1所制得的生物炭粉有显著提高，而其重金属Cd，Pb含量和实施例1相差较少，Cd含量有一定程度的降低。如表3所示，本实施例的酸性官能团含量为0.42mmol/g，表面官能团含量为0.19mmol/g，总官能团含量为0.61mmol/g。
称取烘干的0.3g实施例2生物炭样品三份，分别置于100mL锥形瓶中，向锥形瓶中加入50mL含氮5mg/L的氯化铵溶液，然后将锥形瓶封口置于180r/min、25℃的恒温摇床上振荡24h，最后过滤移取上清液，采用靛酚蓝比色法对上清液中的氮进行分析计算。经检测，实施例2生物炭对NH4 +的去除率为53.6％。
实施例3
取50kg的栽培杏鲍菇后的杏鲍菇培养废料，将其包括薄膜在内的杂质去除，置于通风环境下自然风干，使其含水量降至15％，将鲍菇培养废料放入烘箱，在温度为90℃的条件下，烘干1.5小时，并粉碎过筛至粒径为10mm；然后将粉碎后的杏鲍菇培养废料放入炭化炉中，并通入氮气进行高温隔氧炭化，使炭化炉腔内压力维持在0.1MPa，炭化炉以5℃/min的升温速率升温至600℃，保温1.5小时，将炭化后的杏鲍菇培养废料冷却至室温，并粉碎过60目筛，最终得到生物炭。
本实施例生产的生物炭如表1所示，得率37.2％，比表面积为48.63m2/g，孔容为0.062cc/g，孔径为1.76nm，pH为9.8，灰分含量为26.03％，如表2所示，本实施例生产的生物炭K，Ca，Mg，Na含量与实施例2所制得的生物炭粉差距不大，重金属Cd，Pb含量和实施例2基本一致。如表3所示，本实施例的酸性官能团含量为0.35mmol/g，碱性官能团含量为0.24mmol/g，总官能团含量为0.59mmol/g。
称取烘干的0.3g实施例3生物炭样品三份，分别置于100mL锥形瓶中，向锥形瓶中加入50mL含氮5mg/L的氯化铵溶液，然后将锥形瓶封口置于180r/min、25℃的恒温摇床上振荡24h，最后过滤移取上清液，采用靛酚蓝比色法对上清液中的氮进行分析计算。经检测，实施例3生物炭对NH4 +的去除率为36.3％。
对比例1
取50kg的秸秆废渣，将秸秆废渣中的杂质去除，置于通风环境下自然风干，使其含水量降至15％，将秸秆废渣放入烘箱，在温度为105℃的条件下，烘干2小时，并粉碎过筛至粒径为10mm；然后将粉碎后秸秆废渣放入炭化炉中，并通入氮气进行高温隔氧炭化，使炭化炉腔内压力维持在0.1MPa，炭化炉以8℃/min的升温速率升温至400℃，保温2小时，将炭化后的秸秆废渣冷却至室温，并粉碎过60目筛，最终得到生物炭。
本对比例生产的生物炭如表1所示，得率33.8％，比表面积为11.36m2/g，孔容为0.016cc/g，孔径为55.92nm，pH为9.4，灰分含量为26.70％。如表3所示，本对比例的酸性官能团含量为0.43mmol/g，碱性官能团含量为0.13mmol/g，总官能团含量为0.56mmol/g。
称取烘干的0.3g对比例1的生物炭样品三份，分别置于100mL锥形瓶中，向锥形瓶中加入50mL含氮5mg/L的氯化铵溶液，然后将锥形瓶封口置于180r/min、25℃的恒温摇床上振荡24h，最后过滤移取上清液，采用靛酚蓝比色法对上清液中的氮进行分析计算。经检测，对比例1生物炭对NH4 +的去除率为28.6％。
表1：不同炭化条件下制得生物炭的理化性质及表观结构比较。
表2：不同炭化条件下制得生物炭的矿质元素及重金属含量比较。
表3：不同炭化条件下制得生物炭的官能团含量比较。

Claims (10)

1.一种利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，包括：
(1)将食用菌废料除杂后风干，并烘干、粉碎过筛；
(2)粉碎后的食用菌废料以5～10℃/min升温至400～600℃进行隔氧炭化反应，反应保温1.5～2h；
(3)将炭化后的食用菌废料冷却至室温，粉碎过筛，获得生物炭。
2.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中食用菌废料风干后的含水量为15％～20％。
3.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，所述烘干的温度为90～105℃，时间为1.5～2h。
4.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中食用菌废料粉碎过筛至10～15mm。
5.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，所述隔氧炭化反应过程中同时通入氮气，使反应压力维持在0.1MPa。
6.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(2)中粉碎后的食用菌废料以8～10℃/min升温至400～500℃进行隔氧炭化反应，反应保温2h。
7.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(3)中生物炭粉碎过筛的过筛孔径为60～100目。
8.如权利要求1所述的利用食用菌废料制备生物炭的方法，其特征在于，所述食用菌废料为栽培杏鲍菇后的废料。
9.一种采用如权利要求1～8任一所述的方法制备的生物炭，其特征在于，所述生物炭的酸性官能团含量为0.35～1.13mmol/g，碱性官能团含量为0.11～0.24mmol/g。
10.如权利要求9所述的生物炭作为氨氮的吸附剂用于污染水体的修复。
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