CN109503526A - 利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 - Google Patents
利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109503526A CN109503526A CN201811197101.7A CN201811197101A CN109503526A CN 109503526 A CN109503526 A CN 109503526A CN 201811197101 A CN201811197101 A CN 201811197101A CN 109503526 A CN109503526 A CN 109503526A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solid
- liquid
- hydro
- organic waste
- microwave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- NOEGNKMFWQHSLB-UHFFFAOYSA-N 5-hydroxymethylfurfural Chemical compound OCC1=CC=C(C=O)O1 NOEGNKMFWQHSLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 73
- RJGBSYZFOCAGQY-UHFFFAOYSA-N hydroxymethylfurfural Natural products COC1=CC=C(C=O)O1 RJGBSYZFOCAGQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 68
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 85
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 61
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 38
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 17
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 12
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 7
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 claims description 5
- 230000003834 intracellular effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 4
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003516 soil conditioner Substances 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 23
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 19
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 241000219109 Citrullus Species 0.000 description 4
- 235000012828 Citrullus lanatus var citroides Nutrition 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 3
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002361 compost Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N furfural Chemical compound O=CC1=CC=CO1 HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 2
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 2
- HGUFODBRKLSHSI-UHFFFAOYSA-N 2,3,7,8-tetrachloro-dibenzo-p-dioxin Chemical compound O1C2=CC(Cl)=C(Cl)C=C2OC2=C1C=C(Cl)C(Cl)=C2 HGUFODBRKLSHSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FJSKXQVRKZTKSI-UHFFFAOYSA-N 2,3-dimethylfuran Chemical compound CC=1C=COC=1C FJSKXQVRKZTKSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 244000241257 Cucumis melo Species 0.000 description 1
- 235000015510 Cucumis melo subsp melo Nutrition 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- FJJCIZWZNKZHII-UHFFFAOYSA-N [4,6-bis(cyanoamino)-1,3,5-triazin-2-yl]cyanamide Chemical compound N#CNC1=NC(NC#N)=NC(NC#N)=N1 FJJCIZWZNKZHII-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- DNJIEGIFACGWOD-UHFFFAOYSA-N ethanethiol Chemical compound CCS DNJIEGIFACGWOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 239000012847 fine chemical Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000005457 ice water Substances 0.000 description 1
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N methanol Natural products OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
- C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
- C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
- C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
- C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
- C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
- C07D307/46—Doubly bound oxygen atoms, or two oxygen atoms singly bound to the same carbon atom
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/342—Preparation characterised by non-gaseous activating agents
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用有机废弃物同步制备5‑羟甲基糠醛(5‑HMF)及水热炭的装置及方法，目的在于生产高价值物质——5‑HMF以及水热炭，同时考虑资源的有效节约以及环境污染问题。该工艺步骤如下。将有机废弃物进行预处理，最终固液分离得到液体物质和固态残渣。液体部分进入第一套微波反应器中，无需添加外源水，进行一定条件微波水热处理，得到5‑HMF。固态残渣置入第二套微波反应器，添加一定比例的水，进行微波水热处理，而后真空过滤固液分离。固相得到的水热炭进行干燥，液相产物重新置入第一套微波反应器。本发明工艺在没有额外催化剂的条件下，能够有效的提高有机废弃物生产5‑HMF和水热炭的产率，且水热炭可以作为清洁燃料、炭基土壤修复剂和土壤改良剂。
Description
技术领域
本发明涉及废物资源化领域，尤其涉及一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法。
背景技术
随着种植业集约化发展进程的加快和居民生活水平的日益提高，大量的有机废弃物(如烂水果、烂菜叶、秸秆等)随之产生，并对环境带来了不良影响，给人们的生产和生活产生负面影响。该类型废弃物最大特点是水分含量和有机质含量(如纤维素)很高，其中也富含糖类。这是一类宝贵的资源。本发明利用该类废弃物的特性，以探寻一种有价值的物质,并考虑将该类废弃物最大程度资源化。
5-羟甲基糠醛(5-HMF)是重要精细化工中间体，被视为基于生物质资源的新平台化合物，在农业化学、电化学、化妆品工业、合成医药中间体等行业都有广泛应用。最近，5-HMF被认为是链接于碳水化合物资源与石油工业之间的桥梁，因为将5-HMF选择性氢化脱氧后得到的2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种优质燃料，其能量密度比乙醇高40％，并且挥发性很小，显示出替代化石燃料的巨大潜力。而它的前体物质正好的小分子糖：葡萄糖和果糖。因此，从废弃物中提取5-HMF具有非常大的商业潜力。
相比之下，目前较为常见的处理固体废弃物的技术主要有填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化等方式。填埋需要占用大量土地，而且产生的渗滤液对地下水和土壤会带来污染；焚烧有机废弃物不仅仅是资源浪费，而且需要输入大量能量，并且产生会大量的二噁英和粉尘，存在二次污染的问题；堆肥、厌氧消化等生物处理处置有机废物技术很粗放，均存在处理周期较长，需调理，散发恶臭等缺点。因此，迫切需要开发一种既能节约资源、保护环境，又能带来巨大经济效益的处理方式。
微波技术在20世纪80年代得到了迅猛的发展，将微波技术用于治理环境污染是近年来兴起的一项新的研究领域，因其快速、高效和无二次污染等特点而倍受环境研究者的青睐。微波不仅可以改善反应条件，加快反应速度，提高反应产率，还可以促进一些难以进行的反应发生。因此该技术适用于本发明。目前，微波技术在固体废弃物的处理与处置等方面的研究和应用取得了显著的效果。对于利用微波技术将废弃物转化为5-HMF的文献、发明也不占少数。但这些都是在添加催化剂、有机溶剂或者离子液体的前提下，如中国专利CN101456851A公开了“一种微波促进制备5-羟甲基糠醛的方法”、中国专利CN 105214725A公开了“碳水化合物有效转化成5-羟甲基糠醛的绿色催化方法”。尽管这些条件能提高5-HMF的产率，但也会随之带来负面影响。如催化剂不能重复利用，又可能导致产品很难分离；有机溶剂的使用会导致后续废液难处理，增加成本；离子液体本身就是比较昂贵的物质。因此，本发明在不考虑这些物质添加的前提下，本着资源节约和环境友好的角度，设计低温微波水热工艺，通过条件优化来使5-HMF产率最大化，又能生产水热炭，将有机废弃物资源化利用程度得到提升，且所产废液主要含小分子无毒有机物，对环境无污染，可直接排入污水管道处理。
发明内容
1.发明目的本发明的目的在于解决现有技术中有机废弃物资源化中存在的问题，并提供一种新的有机废弃物资源化方法，即一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，该方法能够对有机废弃物进行有效利用，用相对较低的处理处置成本以提高5-HMF产率，同时制备水热炭，并避免环境污染。
2.技术方案
第一方面，本发明提供一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，它包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和干燥装置，第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，第二套蒸馏提取装置的液体出口连接第一套微波反应装置入口。
优选的，所述的第一套固液分离装置为离心机。
优选的，所述的第二套固液分离装置为真空过滤设备。
第二方面，本发明提供一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其步骤如下：
1)将有机废弃物进行研磨，破坏其中的纤维素结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，离心，固液分离得到液体部分和固态残渣；
2)将1)中的液体部分置入第一套微波反应器中，不添加外源水，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF；
3)将1)中的固态残渣置入第二套微波反应器中，添加一定比例的水后，进行低温微波水热处理，反应结束后固液分离，得到水热炭；
4)第二套微波反应器中固液分离得到的液相产物重新置入第一套微波反应器中，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF。
优选的，所述的有机废弃物包括水果皮、烂菜叶、秸秆。
优选的，所述的步骤1)中，用研磨机将有机废弃物研磨成糊状物，然后再置于离心机中，于10000r/min转速下离心5min。
优选的，所述的第一套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，升温速率2～8℃/min；该条件进一步优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率6℃/min。
优选的，所述的第二套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，液固比为8～20；该条件进一步优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率为6℃/min，液固比为12。
优选的，所述的5-HMF的分离方式为蒸馏提取。
优选的，所述的步骤3)中，固液分离方式为真空过滤。
本发明中同步制备5-羟甲基糠醛和水热炭的方法，具有以下有益效果：
1、有机废弃物处理后固相和液相产物都能有效利用；
2、有机废弃物低温微波水热过程中不会产生二次污染；
3、低温微波水热处理效率高，比焚烧和传统水热条件要温和，节约资源；
4、微波反应器经低温微波水热后液体产物中有明显高含量的5-HMF，可以被利用。
5、第二套微波反应器产出的水热炭可以作为清洁燃料、炭基土壤修复剂和土壤改良剂。
6、低温微波水热后产生的废液可以直接排放入污水管道。
附图说明
图1为本发明中利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置工艺流程图；
图2为本发明第二套微波反应器制备的水热炭在不同停留温度、停留时间和液固比因子下的扫描电镜图(SEM)。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求和摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
为了进行下述的各实施例，本发明中采用了一套利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，该装置中包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和一套干燥装置。第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，待处理的有机废弃物从该原料入口进入第一套固液分离装置中，第一套固液分离装置为离心机。大部分有机废弃物原料，例如瓜果皮，含有较多的结合水以及细胞的胞内水，因此需要进行研磨或破碎后再进行固液分离。第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，将固液分离后的液相输入第一套微波反应装置中直接进行微波反应，制取5-HMF。第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，将固液分离后的固相输入将固液分离后的液相输入中，加水进行微波反应，制取5-HMF和水热炭。第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，对制取到的5-HMF进行蒸馏提取。第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，将含有5-HMF和水热炭的混合液再次进行固液分离，第二套固液分离装置为真空抽滤设备。固液分离后，液相中含有5-HMF，固相中含有水热炭。因此第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置再次进行蒸馏提取，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，将水热炭进行干燥。干燥装置可以是自然干燥也可以是烘干干燥。第二套蒸馏提取装置蒸馏提取5-HMF后的残液中仍含有可溶性糖，因此可以将其液体出口连接第一套微波反应装置入口进行回流，依旧可以在第一套微波反应器中继续产出5-HMF。需要指出的是，上述各装置之间的连接可以通过管道连接，也可以通过取样加料设备连接，只要能够实现物料的转移即可。另外，两套蒸馏提取装置在工艺不冲突的情况下，也可以合并采用同一套。两套微波反应器中，微波水热技术处理的压力是体系自生压力，两套微波反应器反应结束后，可将反应釜放入冰水中冷却。
下面基于该装置，通过实施例证明本发明的技术效果。
实施例：两套微波反应器的最佳反应条件确定
为了探究第一套微波反应器和第二套微波反应器产生5-HMF最佳条件，因此分别进行独立的因子实验。其中第二套微波反应器提取5-HMF后将废液回流到第一套微波反应器，在第一套微波反应器的条件下进行反应。由于回流废液仍含有可溶性糖，且液体pH在4～5之间(酸性条件下利于单糖转化为5-HMF)，因此依旧可以在第一套微波反应器中继续产出5-HMF。
最佳反应条件是通过设置单因素实验进行的：控制其余两个或三个变量不变，进行单因素实验。第一套微波反应器以低温微波水热后液相产物中5-HMF产率来表征水热效果。第二套微波反应器以低温微波水热后水热炭的产量和微观特性来表征水热效果。5-HMF产率和水热炭的产量均是以目标产物与原料干物质量的比例来计算的。
下述实验中，原料均为西瓜皮。西瓜皮先进行预处理：经过破碎后，用研磨机研磨成糊状物，然后再置于离心机中，于10000r/min转速下离心5min，得到液体部分和固体残渣，实现固液分离。
一、第二套微波反应器单因子实验结果：
第二套微波反应器中，取5g经过预处理后得到的固体残渣，加入一定比例的水，一定条件下进行微波反应(如下表1-3，升温速率为6℃/min)。
表1第二套微波反应器的温度因子实验结果表
注：Q为高位热值。
由表1可得，固体残渣通过水热反应后生成的5-HMF产率在停留温度为170℃时最高，对应生成的固相物质——水热炭的产量和热值是随着温度的升高而升高。通过两种产物的经济性对比分析，5-HMF的经济价值远高于水热炭。因此本温度因子实验的最佳温度选择为170℃。在此温度下，对应水热炭也具有足够的热值和产量，可作为燃料。从图2中也可以发现，该温度下水热炭能够呈现出多孔状态，可以作为清洁燃料、炭基土壤修复剂和土壤改良剂。
表2第二套微波反应器水热炭的液固比因子实验结果表
表2的停留温度的选择是基于表1温度因子实验的结果。在此基础上，分析液固比因子对5-HMF产率和水热炭热值以及产量的影响。由表2可得，液固比对两者产物的影响均不显著。具体由实验数据分析可得，液固比为12时，对应的5-HMF产率和水热炭热值、产量是相对最佳。因此，液固比最终选择为12。
表3第二套微波反应器水热炭的停留时间因子实验结果表
表3的停留温度、液固比是基于表1和表2的实验结果所得。在此基础上，分析停留时间因子对5-HMF产率和水热炭热值以及产量的影响。由表3可得，随着停留时间增加，5-HMF产率和水热炭热值、产量变化趋势相反。较长的停留时间不利于生成5-HMF，或者促进5-HMF分解。因此，基于经济效益最大化，最终的停留时间选择5min。
根据单因子实验组的数据结果，第二套微波反应器的最终条件为：停留温度170℃,停留时间为5min和液固比为12。
二、第一套微波反应器单因子实验结果
本实施例中，第一套微波反应器的液体样品为原料固液分离后的液体部分(不加外源水)以及前述第二套微波反应器回流的残液。本实验将两种不同来源的液体分开进行单因子实验设计。每次取10ml样品于第一套微波反应器中，在一定的微波水热条件下进行，具体条件参数见后续表格。其中表4-6为单独原料固液分离后的液体进行试验；表7-9为单独采用回流的残液进行试验。
表4第一套微波反应器的温度因子实验结果表(固液分离后的液体)
表5第一套微波反应器5-HMF产率的升温速率因子实验结果表(固液分离后的液体)
表6第一套微波反应器HMF产率的停留时间因子实验结果表(固液分离后的液体)
由表4-6可得，5-HMF产率最高的条件为停留温度170℃,停留时间为5min，升温速率为6℃/min。
第二套微波反应器反应完后固液分离所得的残液在高温高压下蒸馏去除5-HMF(已知5-HMF的沸点在116℃)，而后所得的液体作为以下实验的样品。
表7第一套微波反应器的温度因子实验结果表(回流残液)
由表7可得，回流的残液最高5-HMF产率对应的停留温度虽然为150℃，但与170℃对应的5-HMF产率结果接近，差异不显著。考虑到后续实际工艺上，对于部分原料研磨后含水量不足的有机废弃物，可能会将这两股液体合并进行处理，因此本实验最终选择的停留温度为170℃。
表8第一套微波反应器5-HMF产率的升温速率因子实验结果表(回流残液)
表9第一套微波反应器HMF产率的停留时间因子实验结果表(回流残液)
由表8、表9可得，回流残液作为样品在第一套微波反应器中进行试验，所得的最佳升温速率和停留时间分别为6℃/min和5min。
因此，总体分析，第一套微波反应器生产5-HMF的最佳条件为停留温度170℃，停留时间5min和升温速率为6℃/min。第一套微波反应器实验所得到的最大5-HMF产率约为0.72％。
以下表10-12对应TOC含量的实验目的是检测最终所排废液的有机质污染情况。
表10第一套微波反应器废液TOC含量的温度因子实验结果表
注：TOC％为水热后废液TOC与水热前液体TOC之比。
表11第一套微波反应器废液TOC含量的升温速率因子实验结果表
表12第一套微波反应器废液TOC含量的停留时间因子实验结果表
由表10-12可知，废液的TOC含量随停留温度的增加而降低，随升温速率和停留时间的增加而增加。而对于废水而言，低的TOC含量更有利于处理。本实验所得最终条件下的排放废水TOC百分比约为21.76％。
综上所述，对于本发明而言，利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的一种最佳的方法如下：
1)将西瓜皮进行破碎、研磨、离心(10000r/min，5min)后，固液分离得到液体部分和固态残渣；
2)将1)中的液体部分置入第一套微波反应器中，不添加外源水，进行低温微波水热处理，停留温度为170℃，停留时间为5min，程序升温速率6℃/min。反应结束后分离得到5-HMF，产率为0.46％±0.02％。
3)将1)中的固态残渣置入第二套微波反应器中，添加一定比例的水后，进行低温微波水热处理，停留温度为170℃，停留时间为5min，程序升温速率为6℃/min，液固比为12。反应结束后，对混合液进行真空抽滤，得到水热炭，产率为28.79％±0.37％。
4)第二套微波反应器中真空抽滤得到的液相产物，蒸馏提取5-HMF，产率为2.86％±0.01％。提取5-HMF后的残夜重新置入第一套微波反应器中，进行低温微波水热处理，停留温度为170℃，停留时间为5min，程序升温速率6℃/min，反应结束后分离得到5-HMF，产率为0.29％±0.01％。
在上述制备工艺中，5-HMF的总产率约为3.61％，水热炭总产率约为28.79％，实现了有机废弃物的经济效益最大化。
当然，上述实施例是以西瓜皮为原料举例说明的，但上述方法也可以用于其他有机废弃物的资源化中。
本发明系统地考虑了有机废弃物的各组分的特性并对此进行有效利用。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和干燥装置，第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，第二套蒸馏提取装置的液体出口连接第一套微波反应装置入口。
2.如权利要求1所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，所述的第一套固液分离装置为离心机。
3.如权利要求1所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，所述的第二套固液分离装置为真空过滤设备。
4.一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，步骤如下：
1)将有机废弃物进行研磨，破坏其中的纤维素结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，离心，固液分离得到液体部分和固态残渣；
2)将1)中的液体部分置入第一套微波反应器中，不添加外源水，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF；
3)将1)中的固态残渣置入第二套微波反应器中，添加一定比例的水后，进行低温微波水热处理，反应结束后固液分离，得到水热炭；
4)第二套微波反应器中固液分离得到的液相产物重新置入第一套微波反应器中，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF。
5.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的有机废弃物包括水果皮、烂菜叶、秸秆。
6.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的步骤1)中，用研磨机将有机废弃物研磨成糊状物，然后再置于离心机中，于10000r/min转速下离心5min。
7.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的第一套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，升温速率2～8℃/min；优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率6℃/min。
8.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的第二套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，液固比为8～20；优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率为6℃/min，液固比为12。
9.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的5-HMF的分离方式为蒸馏提取。
10.如权利要求4所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，所述的步骤3)中，固液分离方式为真空过滤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811197101.7A CN109503526B (zh) | 2018-10-15 | 2018-10-15 | 利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811197101.7A CN109503526B (zh) | 2018-10-15 | 2018-10-15 | 利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109503526A true CN109503526A (zh) | 2019-03-22 |
| CN109503526B CN109503526B (zh) | 2020-11-13 |
Family
ID=65746564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811197101.7A Active CN109503526B (zh) | 2018-10-15 | 2018-10-15 | 利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109503526B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111484465A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-08-04 | 成都理工大学 | 基于微波水热的定向解聚重构高效合成hmf的方法 |
| CN114478086A (zh) * | 2020-11-12 | 2022-05-13 | 深圳市海立方生物科技有限公司 | 一种厨余垃圾的全量化处理方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105331376A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-17 | 华中农业大学 | 基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置及方法 |
| TW201607896A (zh) * | 2014-08-26 | 2016-03-01 | Ava Co2 Schweiz Ag | 用於處理工藝用水的方法 |
-
2018
- 2018-10-15 CN CN201811197101.7A patent/CN109503526B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201607896A (zh) * | 2014-08-26 | 2016-03-01 | Ava Co2 Schweiz Ag | 用於處理工藝用水的方法 |
| CN105331376A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-17 | 华中农业大学 | 基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| YUCHAO SHAO ET AL.: "5-Hydroxymethylfurfural production from watermelon peel by", 《ENERGY》 * |
| 吴艳姣等: "水热炭的制备、性质及应用", 《化学进展》 * |
| 邵宇超等: "酸碱预处理对西瓜皮微波水热炭化产物特性的影响", 《农业工程学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111484465A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-08-04 | 成都理工大学 | 基于微波水热的定向解聚重构高效合成hmf的方法 |
| CN114478086A (zh) * | 2020-11-12 | 2022-05-13 | 深圳市海立方生物科技有限公司 | 一种厨余垃圾的全量化处理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109503526B (zh) | 2020-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4272345B2 (ja) | バイオマスを化学品及び燃料に転化する方法 | |
| EP2390014B1 (en) | Method for recovering and producing ethanol and oil | |
| CN102921711B (zh) | 一种有机固体废弃物再生资源化处理方法及设备系统 | |
| BR112014026412B1 (pt) | processo para o tratamento de biomassa | |
| CN102071100B (zh) | 一种利用混合有机溶剂从湿藻泥中提取油脂的方法 | |
| CN102206539B (zh) | 一种利用亚临界醇类从微藻湿藻泥中提取油脂的方法 | |
| JP2006348191A (ja) | バイオマス循環システム | |
| WO2013008907A1 (ja) | 亜臨界水処理を用いた生ごみの高効率メタン発酵 | |
| CN111807660A (zh) | 一种餐厨垃圾、秸秆和市政污泥资源化处理系统及方法 | |
| CN103849665B (zh) | 羧基功能化离子液体溶液预处理木质纤维素的方法 | |
| CN115318810B (zh) | 一种利用乙醇和水共液化耦合厌氧发酵生产生物油及甲烷的餐厨垃圾处置方法 | |
| CN101490269B (zh) | 制备生物乙醇及其它发酵产品的方法和设备 | |
| CN103509829A (zh) | 一种餐厨垃圾联合剩余污泥发酵制乙酸和丁酸的方法 | |
| CN109503526A (zh) | 利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法 | |
| US7736510B2 (en) | Method for producing methane gas | |
| CA2911654A1 (en) | Process and device for treating a biomass mixed with water in order to produce drinking water, biogas and combustible solids | |
| Liu et al. | Anaerobic co-digestion of vegetable and fruit market waste in LBR+ CSTR two-stage process for waste reduction and biogas production | |
| JP4605992B2 (ja) | 燃料電池発電プロセス、および燃料電池システム | |
| CN104662133A (zh) | 由污水污泥生产生物柴油的方法及设备 | |
| CN103194314A (zh) | 废油脂的处理方法 | |
| CN107090303B (zh) | 超临界混合溶剂液化木质素制备富含芳香族化合物生物油方法 | |
| CN102559374A (zh) | 利用超临界甲醇通过一步法从微藻制备生物柴油的方法 | |
| CN104843850B (zh) | 将工业有机污水转化处理的方法 | |
| CN104560375B (zh) | 一种微藻油脂的提取方法 | |
| CN108865207B (zh) | 湿生物质水热液化提取不同类生物原油的分离系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |