CN105668564A - 一种利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法，包括以下步骤：(1)将藻渣/藻泥与水混合置入反应釜中，在压强小于6MPa、160℃～220℃加热反应2～20小时，自然冷却到室温；(2)将步骤(1)中的水热产物进行过滤或者离心分离，得到的固体进行洗涤；(3)将步骤(2)中的洗涤后的产物在50℃～60℃进行干燥处理，得生物活性炭。本发明具有能高效处置大量藻渣的同时又能利用藻渣，变废为宝；减少藻渣及藻毒素带来的危害，同时也具有高效环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护和生物材料领域，具体涉及一种利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法。
背景技术
近年来，由于环境污染造成的大型浅水湖泊蓝藻水华频繁暴发已引起普遍关注。蓝藻水华暴发时，水面被厚厚的一层蓝绿色湖靛覆盖，随着风向迁移至岸边堆积，腐烂后散发出难闻的气味。为应急处理蓝藻水华而开发一系列新型技术，如人工打捞，机械打捞，直接过滤，絮凝或混凝沉淀，气浮等等，应用这些技术处理蓝藻水华的同时带来另外一个问题，如何处置收集得到的大量的含水量高、污染性强的藻渣。2007年至今，仅从太湖清除蓝藻的总重量高达140.5万吨(湿重)。由于藻渣含水量高(90％以上)，一般藻渣体积为处理水量的0.04％左右。蓝藻利用胞外分泌物聚集成团造成脱水困难，体积庞大，运输、放置和处理难度高，同时藻渣在腐败过程中释放有毒有害或难闻气体以及释放大量细胞内蓝藻毒素，藻渣中氮磷元素含量高达63mg/g，9mg/g，处理不当会随径流回流到水源中，造成二次污染。因此，藻渣或收集得到的高浓度的藻水混合物应加以适当的处理或处置。
目前，对藻渣或高浓度藻水或藻泥的处理主要包括以下几种措施：制作肥料或饲料，提取活性物质，生产沼气或者制备生物柴油等。此外，国内在藻渣发电等方面做出探索性研究，但也尚未形成产业化。然而，将藻渣/藻泥用于化肥、农药、环保等领域的研究尚少。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种能高效处置大量藻渣的同时又能利用藻渣，变废为宝；减少藻渣及藻毒素带来的危害，同时也是高效环保的利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法，包括以下步骤：
(1)将藻渣/藻泥与水混合置入反应釜中，在压强小于6MPa、160℃～220℃加热反应2～20小时，自然冷却到室温；
(2)将步骤(1)中的水热产物进行过滤或者离心分离，得到的固体进行洗涤；
(3)将步骤(2)中的洗涤后的产物在50℃～60℃进行干燥处理，得生物活性炭。
优选地，所述藻渣/藻泥是通过人工打捞、机械打捞、直接过滤、絮凝、混凝沉淀或气浮的方法得到的水体藻类暴发产生的高浓度藻水混合物或藻泥。
优选地，藻渣/藻泥的含水量为80％～95％，藻渣/藻泥与水的质量体积比为1:(0～3)。
优选地，藻渣/藻泥与水的质量体积比为3:1或2:1或1:1或1:2。
优选地，所述藻渣/藻泥为通过过滤浓缩后得到的产物。
优选地，将藻类培养液400ml在10000转的条件下离心10min，弃上清收集沉淀，用40ml去离子水重悬，得产物。
优选地，所述藻渣/藻泥为已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物；所述已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物与水的质量体积比为5％～200％。
优选地，所述已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物与水的质量体积比为30％～80％。
优选地，所述步骤(2)中的得到的固体依次使用无水乙醇和去离子水洗涤。
本发明的原理：藻类物质在水热条件下催化裂解，在低温高压(密闭容器中水蒸气高压)或者适当催化的条件下藻类生物质经脱水、脱羧和缩合等化学反应发生炭化。
本发明具有以下优点：
(1)本发明制备过程简单，环境友好，产物性能稳定，制备出的活性炭能应用于化肥和农药控释，土壤改良，空气净化等领域；制备过程中能将藻毒素高效分解去除，减轻藻毒素的危害；所用材料藻渣/藻泥或干燥的藻渣及藻类炼制得到的副产品数量庞大，来源广泛、易于收集。
(2)本发明直接利用高含水量的藻渣/藻泥或者干燥藻渣为原料高效制备生物炭/活性炭，由于原料表面结构的特殊性，制备出表面含氧、含氮官能团，结构丰富的生物活性炭，部分保留藻细胞表面结构特点；避免藻渣前期脱水耗能，藻渣在高温裂解或自然分解过程中有毒有害气体和温室气体二氧化碳的释放，彻底分解难以处置的蓝藻毒素。
(3)该方法利用藻类生物质为材料水热炭化制备生物炭/活性炭，在水热条件下藻类生物质裂解脱水生产活性炭，制备过程基本无需添加剂，处理设备简单，操作方便，应用规模可调节性强，避免了化学法制备活性炭操作繁琐，污染大的缺点。
(4)该方法能变废为宝，既能处置难以处理含水量高，体积庞大的藻渣/藻泥及其所含有毒素，又能制备出环境友好的炭材料。同时制备的炭材料还能利用于废水处理，空气净化，土壤修复，化肥农药控释等领域，达到以废治废的目标。
附图说明
图1为使用本发明实施例1的方法制备的生物活性炭的扫描电镜图。
图2为使用本发明实施例2的方法制备的生物活性炭的扫描电镜图。
图3为本发明实施例2中藻渣/藻泥与水混合的比例对生物活性炭产率的关系图。
图4为本发明实施例3中干藻粉与水混合的比例对生物活性炭产率的关系图。
具体实施方式
本发明水热反应采用的反应釜指现有工业生产使用的水热反应釜或实验室用的小型高压反应釜。
实施例1
利用实验室培养蓝藻藻泥制备生物活性炭
包括以下步骤：
(1)离心收集藻泥；藻类培养液400ml(藻类密度：1～5×107个藻细胞每毫升)，10000转离心10分钟，弃上清收集沉淀，用40ml去离子水重悬。
(2)将藻泥(含水量约90％)置入50ml水热反应釜中(压强小于6MPa)于电热烘箱内160℃～220℃恒温炭化2～20小时，自然冷却到室温。
(3)将水热反应釜中混合液离心分离(9000转，10分钟)，收集沉淀依次用去离子水、无水乙醇清洗三次，然后在50～60℃下烘干，即得图1所示的生物活性炭。
实施例2
直接利用藻渣/藻泥制备生物活性炭
包括以下步骤：
(1)打捞蓝藻暴发时期的蓝藻藻渣/藻泥。
(2)直接将10g藻渣/藻泥(含水量为90.5％)以质量体积比分别为1:0；3:1；2:1；1:1；1:2；1:3置入到50ml水热反应釜(压强小于6MPa)中于电热烘箱内160℃～220℃恒温反应2～20小时，自然冷却到室温。
(3)将水热反应釜中混合液离心分离(9000转，10分钟)，收集沉淀依次用去离子水、无水乙醇清洗三次，然后在50～60℃下烘干，即得如图2所示的生物活性炭。
如图3所示，随着向藻渣/藻泥中加水量的增加，生物活性炭的转化率逐渐降低(从14.9％下降到8.7％)，提示藻渣/藻泥无需加水直接置入反应器进行反应即可达到生物活性炭的较高产率。
实施例3
利用自然干燥的蓝藻水华藻渣制备生物活性炭
包括以下步骤：
(1)蓝藻水华暴发时人工打捞自然干燥的藻渣，经粉碎成干藻粉。
(2)将2g干藻粉与水以质量体积比从5％～15％混合；将6g干藻粉与水以质量体积比从20％～200％混合。置于50ml水热反应釜(压强小于6MPa)中电热烘箱内160℃～220℃摄氏度恒温炭反应2～20小时，自然冷却到室温。
(3)将水热反应釜中混合液离心分离(9000转，10分钟)，收集沉淀依次用去离子水、无水乙醇清洗三次，然后在50～60℃下烘干即得生物活性炭。
如图4所示，随着向干藻粉中加水量的增加，生物活性炭的转化率逐渐升高，继续增加水量，生物活性炭的转化率又逐渐降低。
生物活性炭产率最优的干藻粉与水的混合比例为30％～80％。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用藻渣/藻泥的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将藻渣/藻泥与水混合置入反应釜中，在压强小于6MPa、160℃～220℃加热反应2～20小时，自然冷却到室温；(2)将步骤(1)中的水热产物进行过滤或者离心分离，得到的固体进行洗涤；
(3)将步骤(2)中的洗涤后的产物在50℃～60℃进行干燥处理，得生物活性炭。
2.根据权利要求1所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥是通过人工打捞、机械打捞、直接过滤、絮凝、混凝沉淀或气浮的方法得到的水体藻类暴发产生的高浓度藻水混合物或藻泥。
3.根据权利要求2所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，藻渣/藻泥的含水量为80％～95％，藻渣/藻泥与水的质量体积比为1:(0～3)。
4.根据权利要求3所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，藻渣/藻泥与水的质量体积比为3:1或2:1或1:1或1:2。
5.根据权利要求1所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥为通过过滤浓缩后得到的产物。
6.根据权利要求5所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，将藻类培养液400ml在10000转的条件下离心10min，弃上清收集沉淀，用40ml去离子水重悬，得产物。
7.根据权利要求1所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥为已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物；所述已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物与水的质量体积比为5％～200％。
8.根据权利要求7所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，所述已干燥的藻渣或藻类生物柴油炼制过程中得到的固体副产物与水的质量体积比为30％～80％。
9.根据权利要求1所述的水热炭化制备生物活性炭的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的得到的固体依次使用无水乙醇和去离子水洗涤。
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