CN108993392A - 一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用,包括以下步骤：S1、将园林废弃物进行筛选；S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干10h‑15h后，将烘干后的草本类园林废弃物破碎成粉末；S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡后烘干，加热至550℃‑650℃，保温后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％‑61％；本发明使得园林废弃物生物质炭更好地形成多孔结构，提高了孔隙率和比表面积，进而提高了吸附性能。

Description

一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用
技术领域
本发明涉及生物质炭制备技术领域，尤其涉及一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用。
背景技术
近年来，伴随着城市生态建设的不断发展，园林面积得到了明显的增加，因此带来了大量的城市绿色植物的废弃物。我国园林废弃物的数量逐年增长，有数据显示，园林废弃物可利用量呈逐年增长趋势，2009年北京市园林废弃物可利用量约400万吨，预计2020年全市园林废弃物可利用量达到484万吨。园林废弃物主要包括树枝、树叶和草屑等，但是其利用率仅为15％左右，未利用的园林废弃物成为了城市固体废物的主要来源之一。传统的处理方式采用焚烧或填埋，焚烧会产生有害气体，造成严重的环境污染，加重温室效应；填埋不仅占用大量的土地资源，而且耗费人力物力。以上方式均不能实现园林废弃物再利用的目标，不符合固体废弃物资源化、减量化的原则。
生物质炭是生物质高温裂解的固体产物，具有很多特异的性质，如多孔、高度稳定性、高度芳香化、表面有大量的多种官能团，同时带有正负2种电荷，能够吸附分子和阴阳离子、极性和非极性物质。它广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。利用大量园林废弃物制备生物质炭，有利于园林废弃物的资源化，同时应用在污水处理、土壤治理方面的使用方法有待开发。
因此，我们提出了一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在园林废弃物的资源化有待开发的缺点，而提出的一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用。
一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干10h-15h后，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡后加热至550℃-650℃，保温后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h，得到园林废弃物生物质炭。
优选的，所述园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1:1-1:3，磷酸溶液的质量百分比浓度为30％-40％，所述生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1:3-1:5，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为30％-50％。
优选的，所述草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％。
优选的，所述S3中的加热的速率以10℃/min-15℃/min的温度上升。
优选的，所述浸泡的时间18h-22h，所述保温的时间是60min-120min。
本发明还提出了一种园林废弃物生物质炭的应用，所述园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
本发明的有益效果是：本发明使得园林废弃物生物质炭更好地形成多孔结构，提高了孔隙率和比表面积，进而提高了吸附性能，园林废弃物生物质炭比表面积大，孔隙结构好，结构疏松，通过对园林废弃物生物质炭的表征，可以发现其有可以与重金属发生络合作用的羟基、羧基等含氧官能团，主要通过官能团的络合作用与表面吸附和金属发生作用，同时具有大的比表面积具有吸附碘和吸附亚甲基蓝等物质的潜力。
附图说明
图1为本发明提出的一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用的扫描电镜下实施例三中园林废弃物的粉碎原料物质结构图；
图2为本发明提出的一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用的扫描电镜下实施例三中园林废弃物制成的生物质炭的物质结构图；
图3为本发明提出的一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用的实施例三中制备的园林废弃物生物质炭的表面官能团在傅里叶变换红外光谱仪4250-250cm-1范围内进行测试图；
图4为本发明提出的一种园林废弃物生物质炭制备方法及应用的实施例三制得的园林废弃物生物质炭的X射线衍射图谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例：一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干10h后(草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％)，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡烘干后，以10℃/min的温度加热至550℃(园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1：1，磷酸溶液的质量百分比浓度为30％)，浸泡的时间18h，保温60min后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h(生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1：3，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为30％)，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
实施例二：一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干14h后(草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％)，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡后烘干，以15℃/min的温度加热至600℃(园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1：2，磷酸溶液的质量百分比浓度为35％)，浸泡的时间20h，保温90min后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h(生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1：4，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为40％)，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
实施例三：一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干13h后(草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％)，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡烘干后以10℃/min的温度加热至600℃(园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1：2，磷酸溶液的质量百分比浓度为40％)，浸泡的时间20h，保温120min后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h(生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1：4，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为50％)，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
实施例四：一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干15h后(草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％)，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡烘干后以15℃/min的温度加热至550℃(园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1：3，磷酸溶液的质量百分比浓度为40％)，浸泡的时间22h，保温120min后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h(生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1：4，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为30％)，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
实施例五：一种园林废弃物生物质炭制备方法，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干15h后(草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％)，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡后以10℃/min的温度加热至650℃(园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1：(3，磷酸溶液的质量百分比浓度为40％)，浸泡的时间22h，保温120min后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h(生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1：5，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为50％)，得到园林废弃物生物质炭；园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
将实施例一，实施例二，实施例三，实施例四和实施例五制成的园林废弃物生物质炭的基本理化性质进行测定，测定结果如下表所示：
如图1和图2所示，图1为实施例三中扫描电镜下园林废弃物的物质结构，图2为实施例三中扫描电镜下园林废弃物生物质炭的物质结构，显微结构显示物质结构是扁平碎片状，但实施例三制得的园林废弃物生物质炭颗粒表面已经形成了发大的类似蜂窝状、孔径大小不一的孔隙结构，团粒结构较原料体积变大，团粒结构上的孔隙较大，规则且丰富，可以看出制得的生物质炭的比表面积较原料有了大幅度的提升。
对实施例三中制备的园林废弃物生物质炭的表面官能团在傅里叶变换红外光谱仪4250-250cm-1范围内进行测试，由图3可以发现：园林废弃物基生物质炭有可以与重金属发生络合作用的羟基、羧基等含氧官能团，可以通过官能团的络合作用与表面吸附和金属发生作用,2942cm-1是代表脂肪链结构中C-H的振动吸收峰，1612cm-1处的谱峰认为是芳香环的C＝C和C＝O的伸缩振动产生的吸收峰，1440cm-1左右为C-H面内弯曲振动或酸中O-H弯曲产生的吸收峰，1056cm-1附近为C-O拉伸和C-O形变产生的伸缩振动峰，877cm-1左右为C-H面外弯曲振动和CO3 2-的面外变形振动，从1440cm-1和877cm-1附近有峰，前者为C-O键的反对称伸缩振动，后者为CO3 2-的面外变形振动，均是碳酸盐的特征峰；X射线衍射主要用于分析和判断样品中晶体物质的微观结构，生物质炭的稳定性通常与园林废弃物基生物质炭中所含晶体物质的微观结构的发展程度相关，通过对实施例三制得的园林废弃物生物质炭的X射线衍射图谱(图4)并与分析X射线衍射图谱数据的软件TADE卡片对比分析可知，园林废弃物生物质炭表现出较强的晶型结构，在2θ＝29°处出现一处峰强较大的主峰，分析得知为为乱层石墨(002)平面的衍射峰，而且衍射峰都较为尖锐，则可得出生成的晶体晶粒较小,2θ＝29°的衍射峰经JCPDS卡片分析，主要是SiO2、CaCO3、KCl等灰分的不同晶面。此外，整体而言，园林废弃物生物质炭的X射线衍射图谱中杂峰较多，说明在高温热解时园林废弃物生物质炭发生了石墨化。
用vario Micro cube型元素分析仪测定实施例三制得的园林废弃物生物质炭C、H、N、O元素含量，表2列出了生物质炭LR500、LR600、LR700中不同元素含量以及C/N、C/H，其中LR500是500℃下制备的生物质炭，LR600是500℃下制备的生物质炭，LR700是700℃下制备的生物质炭。
生物质炭 C％ H％ N％ O％ C/N C/H
LR500 43.20 3.25 0.96 15.47 44.81 13.31
LR600 48.85 2.38 0.75 18.88 65.11 20.50
LR700 43.89 1.65 0.75 12.05 58.41 26.66
由表2可知，这三种生物质炭中含量最高的是元素C，其含量都大于43％，其次是O、H、N，当热解温度为600℃和700℃时，其各元素含量之间差距最小。而C元素在LR600达到最高值，LR700的C％下降可能是由于热解过程中CO2大量产生，挥发性的组分在高温制备过程中逐渐去除，使得失去了部分的C元素。生物质炭的C/H比大小反映了生物质炭的芳香性，从表2可以看出随温度的上升，芳香化程度不断的增大。
取10mL初始浓度为10mg/L的Cr6+标准溶液置于锥形瓶中，加入0.1g实施例三制备的生物质炭，在恒温振荡器内(30℃、240r/min、60min)，振荡后，测得过滤液中Cr6+的浓度，计算得生物质炭的铬吸附值，制备生物质炭的吸附量可以达到0.1mg/g。
往容量为250mL干燥的磨口瓶中称放实施例三制备的0.5g试样，用移液管加入50mL的0.1mol/L碘标准溶液。盖上瓶塞，置振荡器上振荡(30℃、150r/min、15min)，静置5min后，用滤纸将溶液过滤。取10mL滤液放入容量为250mL的锥形瓶中，加水50mL，用0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液进行滴定。当溶液呈淡黄色时，加入2mL淀粉指示剂并继续滴定至蓝色消失为重点，并记录硫代硫酸钠消耗量，经计算得到碘吸附值为370mg/g。
取50mL初始浓度为5mg·L-1的亚甲基蓝溶液置于锥形瓶，加入实施例三制备的20mg生物质炭置振荡器上振荡(30℃、150r/min、40min)，使用微孔滤膜(0.45mm)过滤得吸附后的亚甲基蓝溶液，对其吸光度进行测量，计算得到生物质炭对亚甲基蓝的去除率为不同温度下的生物质炭对亚甲基蓝的脱除率为56％～61％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种园林废弃物生物质炭制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将园林废弃物进行筛选，筛选出草本类园林废弃物和木本类园林废弃物，将草本类园林废弃物和木本类园林废弃物备用；
S2、将草本类园林废弃物在90℃烘干10h-15h后，将烘干后的草本类园林废弃物使用破碎机破碎成粉末，并将粉末经过80目的筛网过滤得到过筛物，将未过筛的粉末重新送入破碎机中粉碎，直至粉末全部通过筛网，将粉末备用；
S3、将粉末和木本类园林废弃物在磷酸溶液中浸泡后烘干，加热至550℃-650℃，保温后得到的生物质炭，并将生物质炭在硫酸亚铁溶液中消煮12h，得到园林废弃物生物质炭。
2.根据权利要求1所述的一种园林废弃物生物质炭制备方法，其特征在于，所述园林废弃物与磷酸溶液的质量比为1:1-1:3，磷酸溶液的质量百分比浓度为30％-40％，所述生物质炭与硫酸亚铁溶液的质量比为1:3-1:5，硫酸亚铁溶液的质量百分比浓度为30％-50％。
3.根据权利要求1所述的一种园林废弃物生物质炭制备方法，其特征在于，所述草本类园林废弃物烘干后的水分含量小于5％。
4.根据权利要求1所述的一种园林废弃物生物质炭制备方法，其特征在于，所述S3中的加热的速率以10℃/min-15℃/min的温度上升。
5.根据权利要求1所述的一种园林废弃物生物质炭制备方法，其特征在于，所述浸泡的时间18h-22h，所述保温的时间是60min-120min。
6.一种园林废弃物生物质炭的应用，其特征在于,所述园林废弃物生物质炭用于水体中污染物的去除，园林废弃物生物质炭可将重金属铬固化于园林废弃物生物质炭中，重金属去除率比普通生物质炭提高百分之五以上，同时可以去除染色废水中的亚甲基蓝，去除率达到56％-61％。
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