CN106047384A

CN106047384A - 一种利用中药渣制备水热生物炭的方法及其应用

Info

Publication number: CN106047384A
Application number: CN201610385937.4A
Authority: CN
Inventors: 庄海峰; 汪华; 单胜道; 张敏; 洪孝挺; 柴彦君
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-10-26

Abstract

本发明公开了一种中药渣水热生物炭的制备方法与应用，包括以下步骤：采用废弃物中药渣作为原料，通过预处理、酸洗、与掺杂催化剂的水介质混合、水热炭化、干燥及筛分将转化为中药渣水热生物炭，制备方法简单易操作，反应过程温和无污染、制备的水热生物炭成本低廉且性能良好，应用于土壤改良和重金属污染修复，拓展了废弃物中药渣的利用途径，实现了其减量化和高附加值资源化利用，具有节能减排，低碳环保和可持续发展的优势，适于大规模生产和工程化应用。

Description

一种利用中药渣制备水热生物炭的方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种利用废弃物中药渣制备水热生物炭的方法并应用于壤改良和重金属污染修复，属于废弃物综合利用和环保领域。

背景技术

我国是中药生产和使用大国，中药在满足人们对健康的需求和产生巨大经济效益的同时，也产生了大量的中药剩渣，据统计全国仅植物类药渣年排放量就高达 65万多吨，药渣处理多采用堆放、填埋和焚烧等方式，不仅处理成本高，占用大量土地，也造成资源的浪费和环境的严重污染，如何有效处置废弃物中药渣，实现其减量化和资源化，成为了中药产业发展的瓶颈之一。

事实上，中药渣主要是由纤维素，半纤维素和木质素等高炭生物质构成，并且富含氮、磷、钾等营养元素，具备资源化回收制炭的物质基础。然而，中药渣一般为湿物料，含水量较高（最高可达70 %以上），通过高温裂解制炭方法需要将原料烘干，裂解过程复杂，能耗和成本偏高并且存在二次污染等问题，限制了该技术的广泛应用。

水热炭化方法是以水为反应介质，自然界的生物质为原料，在密闭的反应器内通过加热使生物质发生炭化，该技术不受原料含水率的限制，制备过程简单易操作，反应条件温和，能耗低，制备成本低廉，更适合资源化回收中药渣。

发明内容

本发明提出了一种利用废弃物中药渣制备水热生物炭的方法并应用于土壤改良和重金属污染修复，实现了中药渣资源的综合利用和环境保护的多重效益，适宜于大规模生产和应用。

所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将原料中药渣进行预处理，清除中药渣中包含的杂质，得优化中药渣；

2）采用HCl溶液或者H₃PO₄溶液对优化中药渣进行酸洗浸渍处理；

3）浸渍后的中药渣采用粉碎机破碎，得粉末状中药渣；

4）将粉末状中药渣与去离子水混合，固液混合比例为中药渣：去离子水=1 kg：10-20L，去离子水中掺杂加入金属盐催化剂，掺杂比例为金属盐催化剂：去离子水=1 g：10-25 L；

5）将固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理；

6）水热反应结束后冷却至50℃以下，真空泵过滤得到含水率为20-50 wt%的产物；

7）将产物进行干燥处理，干燥后粉碎筛分，得粒径为1-3㎜中药渣水热生物炭。

所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤2）中：HCl溶液或者H₃PO₄溶液的浓度为1-3 mol/L，与中药渣浸渍比例为3-1L:100g, 浸渍时间为1-5小时，浸渍过程中搅拌器以80-100 转/分钟进行混匀，浸渍完成后静置，收集中药渣，上清液回收再利用。

所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤4）中：金属盐催化剂为FeCl₃、ZnCl₂、Cu(NO₃)₂中的一种或一种以上金属盐的组合，各金属盐均为等质量混合。

所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤5）中：水热炭化温度为150-280 ℃，反应时间为5-24小时。

所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤7）中：干燥处理过程中首先通过晒干和风干过程将产物的含水率降至20 wt%以下，然后置于100-120 ℃烘箱进行干燥处理，干燥时间为1-5小时，干燥后的产物含水率低于5 wt%。

所述任一方法所制备的中药渣水热生物炭在土壤改良和土壤重金属污染修复中的应用，所述中药渣水热生物炭与土壤的掺杂比例为5-15％。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明中药渣水热生物炭制备材料为废弃物中药渣，成本低廉，来源广泛，既大幅降低了制备的成本，更有效解决了中药渣减量化和高附加值资源化的难题，具有良好的环境和经济效益。

2. 本发明的水热炭化技术简单易操作，反应条件温和，金属盐掺杂提高了水热炭化性能和产率，具有低碳环保和可持续发展的技术特点。

3..本发明制备的中药渣水热生物炭应用于土壤改良和重金属污染修复，有效提高了土壤肥力，减少重金属生物可利用性，增加植物产量，适宜于大规模应用和推广。

附图说明

图1是本发明制备的中药渣水热生物炭吸附重金属Pb²⁺吸附量与吸附时间的关系图。

具体实施方式

为了更好地阐述本项发明，结合实施例进一步解释本发明的内容，但本发明的内容不仅局限于下面的实施例。

实施例1

将原料废弃物中药渣进行预处理，清除其中包含的杂质，采用3 mol/L 的HCl溶液进行酸洗浸渍处理，HCl溶液与中药渣浸渍比例为2L:100g，浸渍时间为3小时，浸渍过程中搅拌器以100 转/分钟进行混匀，浸渍完成后静置1小时，收集中药渣并回收上清液重复利用，浸渍后的中药渣采用粉碎机破碎至粉末状，将粉末状中药渣与去离子水混合，固液混合比例为1 kg：15 L，固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理，水热炭化温度为200℃，反应时间为12小时，水热反应结束后缓慢冷却至反应器内温度降至50 ℃以下，真空泵过滤得到含水率为20-50 wt%的产物，通过晒干和风干将产物的含水率降至20 wt%以下，然后置于110 ℃烘箱内干燥处理，时间4小时，将产物含水率降至5 wt%以下，粉碎机粉碎并筛分至1-5 mm，得到中药渣水热生物炭1。

实施例2

将原料废弃物中药渣进行预处理，清除其中包含的杂质，采用3 mol/L 的HCl溶液进行酸洗浸渍处理，HCl溶液与中药渣浸渍比例为2L:100g，浸渍时间为3小时，浸渍过程中搅拌器以100 转/分钟进行混匀，浸渍完成后静置1小时，收集中药渣并回收上清液重复利用，浸渍后的中药渣采用粉碎机破碎至粉末状，将粉末状中药渣与去离子水混合，固液混合比例为1 kg：15 L，去离子水中掺杂催化剂金属盐FeCl₃，FeCl₃与去离子水掺杂比例为1 g：15 L，固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理，水热炭化温度为200 ℃，反应时间为12小时，水热反应结束后缓慢冷却至反应器内温度降至50 ℃以下，真空泵过滤得到含水率约为20-50 wt%的产物，通过晒干和风干将产物的含水率降至20 wt%以下，然后置于110℃烘箱内干燥处理，烘箱干燥时间为4小时，将产物含水率降至5 wt%以下，粉碎机粉碎并筛分至1-5 mm，得到中药渣水热生物炭2。

实施例3

将原料废弃物中药渣进行预处理，清除其中包含的杂质，采用3 mol/L 的HCl溶液进行酸洗浸渍处理，HCl溶液与中药渣浸渍比例为2L:1g，浸渍时间为3小时，浸渍过程中搅拌器以100 转/分钟进行混匀，浸渍完成后静置1小时，收集中药渣并回收上清液重复利用，浸渍后的中药渣采用粉碎机破碎至粉末状，粉末中药渣与去离子水混合，固液混合比例为1 kg：15 L，去离子水中掺杂催化剂金属盐FeCl₃和ZnCl₂混合物，其中FeCl₃和ZnCl₂的混合质量比为1:1，金属盐混合物与去离子水掺杂比例为1 g：15 L，固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理，水热炭化温度为200 ℃，反应时间为12小时，水热反应结束后缓慢冷却至反应器内温度降至50 ℃以下，真空泵过滤得到含水率为20-50 wt%的产物，风干将产物的含水率降至20 wt%以下，然后置于110 ℃烘箱内干燥处理，干燥时间为4小时，将产物含水率降至5 wt%以下，粉碎机粉碎并筛分至1-5 mm，得到中药渣水热生物炭3。

实施例4

将实施例1制备的中药渣水热生物炭1、实施例2制备的中药渣水热生物炭2，实施例3制备的中药渣水热生物炭3应用于土壤改良，其与土壤掺杂比例均为5 %。

表1 中药渣水热生物炭应用于土壤改良的性能

由表1可知，相比于原始土壤，添加制备的中药渣水热生物炭均有效地降低了土壤容重，提升了土壤透气性、持水和保肥能力；同时添加中药渣水热生物炭显著提高了土壤肥力，淋溶试验表明氮磷肥不易流失，而且中药渣本身富含氮、磷、钾元素，在缓慢的分解过程不断释放营养元素，补充流失的土壤肥力。特别是添加催化剂后制备的中药渣水热生物炭提高土壤各方面性能均优于未添加处理，而且其产率为50-60 %，显著高于未添加的40 %左右，证实改良的水热炭化技术的可行性和优越性。

上述结果表明制备的中药渣水热生物炭是良好的土壤改良剂，适宜于土壤改良的实际应用。

实施例5

将实施例1制备的中药渣水热生物炭1、实施例2制备的中药渣水热生物炭2，实施例3制备的中药渣水热生物炭3应用于提升作物的生物量，其与土壤掺杂比例均为5 %。

表2 中药渣水热生物炭对作物生物量的影响

由表2可知，相比于原始土壤，添加制备的中药渣水热生物炭显著的提高了辣椒和番茄的产量，特别是掺杂了催化剂的中药渣水热生物炭2和中药渣水热生物炭3，提高幅度约为100 %，因此，制备的中药渣水热生物炭在改良土壤性质的同时也增加了植物产量，具有良好的实际应用价值。

实施例6

制备的中药渣水热生物炭应用于吸附重金属Pb²⁺，其中Pb²⁺初始浓度均为120 mg/L。由图1可知，制备的中药渣水热生物炭均具有良好的重金属Pb²⁺吸附能力，吸附速度较快，60分钟后吸附速率放缓，基本达到吸附饱和，饱和吸附量分别为43.5 mg/g (中药渣水热生物炭3)，40.5 mg/g (中药渣水热生物炭2)，32.2 mg/g (中药渣水热生物炭1)，催化剂金属盐的掺杂提升了中药渣水热生物炭的吸附性能，有利于生物炭在土壤重金属污染修复方面的应用。

实施例7

制备的中药渣水热生物炭应用于重金属Pb²⁺污染的土壤修复，其与土壤掺杂比例均为10 %。

表3 含400 mg/kg Pb²⁺的重金属污染土壤培养的植物体内的Pb²⁺含量

由表3可知，通过盆栽试验，在土壤中人为添加浓度为400 mg/kg重金属Pb²⁺污染，添加中药渣水热生物炭大幅降低了植物体内重金属浓度，地上部分减少了70 %左右，地下根部下降幅度达到80 %左右，表明中药渣水热生物炭可以有效地减少植物对土壤中Pb²⁺的可获得性，降低了重金属污染对土壤和植被的危害，成功的应用于土壤重金属污染修复，适用于大规模化土壤修复工程。

Claims

1.一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于包括以下步骤：

2）采用HCl溶液或者H₃PO₄溶液对优化后中药渣进行酸洗浸渍处理；

3）将浸渍后的中药渣采用粉碎机破碎，得粉末状中药渣；

5）将固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理；

2.根据权利要求1所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤2）中：HCl溶液或者H₃PO₄溶液的浓度为1-3 mol/L，与中药渣浸渍比例为3-1L:100g, 浸渍时间为1-5小时，浸渍过程中搅拌器以80-100 转/分钟进行混匀，浸渍完成后静置，收集中药渣，上清液回收再利用。

3.根据权利要求1所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤4）中：金属盐催化剂为FeCl₃、ZnCl₂、Mn(NO₃)₂中一种以上金属盐的组合，各金属盐均为等质量混合。

4.根据权利要求1所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤5）中：水热炭化温度为150-280 ℃，反应时间为5-24小时。

5.根据权利要求1所述的一种利用中药渣制备水热生物炭的方法，其特征在于步骤7）中：干燥处理过程中首先通过晒干和风干过程将产物的含水率降至20 wt%以下，然后置于100-120 ℃烘箱进行干燥处理，干燥时间为1-5小时，干燥后的产物含水率低于5 wt%。

6.一种根据权利要求1-5所述任一方法所制备的中药渣水热生物炭在土壤改良和土壤重金属污染修复中的应用。