CN111171847A - 一种废弃生物质资源化利用和无害化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体为一种废弃生物质资源化利用和无害化处理方法。生物质包括餐厨垃圾、食用菌菌渣、藻类、农作物秸秆、稻壳、豆渣、菜籽饼、沼渣、污泥和畜禽粪便；本发明以金属盐作为抑制剂，对同时富含氮和含氧碱金属盐的生物质通过一锅法热解，得到环境友好的生物炭材料；反应过程中，高化合价的金属盐与生物质中不稳定含氧碱金属盐发生交互作用，抑制金属氰化物的产生。本发明解决了生物炭中的剧毒金属氰化物，工艺简单，抑制剂容易获得，来源广泛，绿色环保，对生物质能的发展起到重要的推动作用，能够实现巨大的经济效益、社会效益和生态效益。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及废弃生物质资源化利用和无害化处理方法。
背景技术
生物质能被认为是可以同时解决环境污染和能源紧缺两大问题的绿色资源。随着人口的增长和社会的发展，以及人们对环境保护的意识增强，越来越多的废弃生物质如餐厨垃圾、食用菌菌渣、秸秆、豆渣、污泥和沼渣等，需要通过生物炭技术进行处理，从而实现废弃物的资源化利用。在此过程中，由于生物质原料种类多样，组分复杂，在其衍生的生物炭中往往伴随着多种污染物的产生，如重金属和类金属（Fe、Cd、Pb、As等）、多环芳烃、持久性自由基、水溶性有机物和新型的剧毒污染物金属氰化物等。其中金属氰化物对生物的急性毒性作用显著，无论在制、运输或使用生物炭的过程对人体健康和环境都造成一定的安全风险。
这种剧毒的金属氰化物的生成与生物质原料的性质密切相关。一些富含氮以及不稳定含氧碱金属的生物质在热解过程中，往往倾向于生成金属氰化物如氰化钾（KCN）或氰化钠（NaCN），并保留在生物炭中。目前的生物炭技术并未将金属氰化物纳入环境风险因素，因此，解决生物炭技术过程中的金属氰化物污染问题，具有十分重要的环境意义。
金属氯化物、金属磷酸盐因其热力学稳定性强，通常不易与含氮化合物发生络合作用，因此在其衍生的生物炭中不生成金属氰化物。另外，高化合价的金属盐（如含Ca、Mg、Fe的金属盐）在参与生物质热解的过程中，当生物质中含有不稳定含氧碱金属盐时，高化合价的金属盐能与含氧碱金属盐发生交互作用，阻碍含氧碱金属盐与含氮化合物的络合反应，从而降低金属氰化物的产生。因此，在此发现中，以金属氯化物、金属磷酸盐和高化合价金属盐作为抑制剂，与具有生成金属氰化物风险的生物质原料共热解，通过一步反应可以抑制金属氰化物的产生，实现生物炭的无害化处理。
发明内容
本发明目的在于提供一种高效、环境友好的废弃生物质资源化利用和无害化处理方法。
本发明提供的废弃生物质资源化利用和无害化处理方法，以金属盐作为抑制剂，对同时富含氮和含氧碱金属盐的生物质通过一锅法热解，得到环境友好的生物炭材料；所述生物质主要包括：餐厨垃圾、食用菌菌渣、藻类、农作物秸秆、稻壳、豆渣、菜籽饼、沼渣、污泥和畜禽粪便；具体步骤如下：
（1）将生物质冷冻干燥或烘干，烘干温度为60 ~ 100℃，烘干时间为12 ~ 48小时；粉碎生物质过80目筛；
（2）对步骤（1）中的生物质与金属盐抑制剂在水溶液中混合，金属盐与生物质的质量比为1:（0.2 ~ 500）；振荡8 ~ 24小时；将得到的混合物冷冻干燥或烘干，放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，热解温度为500 ~ 800 ℃，维持1 ~ 8小时，惰性气体流量为0.2~1.0 L/min；
（3）热解反应后，将所得产物冷却至室温后取出，得到生物炭。
本发明中，步骤（2）所述的金属盐抑制剂选自金属氯化物、金属磷酸盐、高化合价的金属草酸盐和金属氧化物。
本发明中，优选地，金属氯化物选自FeCl3、MgCl2、ZnCl2、CaCl2、KCl、NaCl等，金属磷酸盐选自 K2HPO4、Na2HPO4、CaHPO4、Mg3(PO4)2、FePO4等，高化合价的金属草酸盐选自MgC2O4、CaC2O4、FeC2O4等，金属氧化物选自 MgO、CaO、Fe2O3、Fe3O4等。
反应过程中，高化合价的金属盐与生物质中不稳定含氧碱金属盐发生交互作用，抑制金属氰化物的产生。
本发明中，惰性气体氛围为氮气、氩气、氦气中的一种，或其中几种的混合气体。
本发明反应过程中，高化合价的金属盐与生物质中不稳定含氧碱金属盐发生交互作用，抑制金属氰化物的产生，从而得到低毒、对环境友好的生物炭材料，既利用了生物质废弃物又可以降低有毒副产品对环境的危害，具有可观的生态效益。
本发明涉及用金属盐作为抑制剂，来源广泛，容易获得，并且只需要通过一锅法处理能够有效抑制剧毒物质金属氰化物的产生，为生物炭的制备提供了一种更清洁更环保的途径，降低对环境和人体的潜在风险，对生物质的可持续利用也具有积极的意义。
附图说明
图1为本发明方法基本流程图示。
图2为实施例1中低FeCl3施用量对生物炭CN-含量的影响。
图3为实施例2中高FeCl3施用量对生物炭CN-含量的影响。
图4为实施例3中MgCl2对生物炭CN-含量的影响。
图5为实施例4中有无FeCl3处理对餐厨垃圾衍生的生物炭中CN-含量的影响。
具体实施方式
下面的实施例用于进一步说明本发明，并不是对本发明的限定。
实施例1
小麦蛋白、K2CO3和FeCl3按一定质量比，小麦蛋白与K2CO3的质量比为1:10，小麦蛋白与FeCl3的质量比为1:500，加水混合，振荡12小时；混合物经干燥后放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以5 ℃ /min的升温速率升至800 ℃，并维持1小时，待反应结束后冷却至室温。将得到的生物炭置于玻璃管中，加入适量的NaOH溶液进行提取，过滤后稀释至适当的浓度，利用离子色谱测定CN-的含量。低浓度的FeCl3能够有效控制生物炭中金属氰化物的含量。
实施例2
将小麦蛋白、K2CO3和FeCl3按一定质量比，小麦蛋白与K2CO3的质量比为1:10，小麦蛋白与FeCl3的质量比为1:50和1:5，加水混合，振荡12小时；混合物经干燥后放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以5 ℃ /min的升温速率升至800 ℃，并维持1小时，待反应结束后冷却至室温。将得到的生物炭置于玻璃管中，加入适量的NaOH溶液进行提取，过滤后稀释至适当的浓度，利用离子色谱测定CN-的含量。高浓度的FeCl3能够有效完全抑制生物炭中金属氰化物的生成。
实施例3
将小麦蛋白、K2CO3和MgCl2按一定质量比，小麦蛋白与K2CO3的质量比为1:10，小麦蛋白与MgCl2的质量比为1:50，加水混合，振荡12小时；混合物经干燥后放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以5 ℃ /min的升温速率升至800 ℃，并维持1小时，待反应结束后冷却至室温。将得到的生物炭置于玻璃管中，加入适量的NaOH溶液进行提取，过滤后稀释至适当的浓度，利用离子色谱测定CN-的含量。MgCl2能够有效抑制生物炭中金属氰化物的生成。
实施例4
将餐厨垃圾冷冻干燥后粉碎；将FeCl3和餐厨垃圾与按一定的质量比（1:50），在水中混合，振荡12小时；混合物经干燥后放入瓷舟内，置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的N2气氛下以5 ℃ /min的升温速率升至800 ℃，并维持1小时，待反应结束后冷却至室温。将得到的生物炭置于玻璃管中，加入适量的NaOH溶液进行提取，过滤后稀释至适当的浓度，利用离子色谱测定CN-的含量。金属盐FeCl3对餐厨垃圾衍生的生物炭中金属氰化物的控制效果明显，实现完全抑制氰化物的生成。
Claims (3)
1.一种废弃生物质资源化利用和无害化处理方法，其特征在于，以金属盐作为抑制剂，对同时富含氮和含氧碱金属盐的生物质通过一锅法热解，得到环境友好的生物炭材料；所述生物质主要包括：餐厨垃圾、食用菌菌渣、藻类、农作物秸秆、稻壳、豆渣、菜籽饼、沼渣、污泥和畜禽粪便；具体步骤如下：
（1）将生物质冷冻干燥或烘干，烘干温度为60 ~ 100℃，烘干时间为12 ~ 48小时；粉碎生物质过80目筛；
（2）对步骤（1）中的生物质与金属盐抑制剂在水溶液中混合，金属盐与生物质的质量比为1:（0.2 ~ 500）；振荡8 ~ 24小时；将得到的混合物冷冻干燥或烘干，放入瓷舟内，置于管式炉中，在惰性气体氛围下进行热解，热解温度为500 ~ 800 ℃，维持1 ~ 8小时，控制惰性气体流量为0.2~1.0 L/min；
（3）热解反应后，将所得产物冷却至室温后取出，即得到生物炭；
步骤（2）所述的金属盐抑制剂选自金属氯化物、金属磷酸盐、高化合价的金属草酸盐和金属氧化物。
2. 根据权利要求1所述的废弃生物质资源化利用和无害化处理方法，其特征在于，所述金属氯化物选自FeCl3、MgCl2、ZnCl2、CaCl2、KCl、NaCl，所述金属磷酸盐选自 K2HPO4、Na2HPO4、CaHPO4、Mg3(PO4)2、FePO4，所述高化合价的金属草酸盐选自 MgC2O4、CaC2O4、FeC2O4，所述金属氧化物选自 MgO、CaO、Fe2O3、Fe3O4。
3.根据权利要求1所述的废弃生物质资源化利用和无害化处理方法，其特征在于，所述惰性气体氛围为氮气、氩气、氦气中的一种，或其中几种的混合气体。
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