CN112625712A - 一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法 - Google Patents

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左宗良
王露宁
刘雪洁
罗思义
冯焰
孙慧萍
李晓腾
马金双
张敬奎
任冬冬
郭健翔
于庆波
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Abstract

本发明涉及废弃铜渣的再利用来催化水热炭化反应,公开了基于铜渣酸化得到的金属离子液对为制备生物质炭的水热炭化反应的催化方法以及效果。本发明主要包括以下步骤:a)将废弃铜渣进行酸化,反应完成后过滤渣滓得到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液;b)将生物质进行干燥并破碎处理,得到生物质粉末;c)使生物质粉末和金属离子液在水热炭化反应釜中混合并在一定的温度和压力下反应;d)将反应产物进行固液分离,得到炭化液和生物质炭;e)将分离得到的生物质炭进行脱水、干燥、破碎和压制成型,最终制备出可利用的优质生物质炭。本发明的核心技术是酸化处理废弃铜渣,得到含有多种金属离子的催化液,从而加快水热炭化反应速度,形成理化特性更好的生物质炭。本发明不但更好地利用了废弃铜渣,而且改进了生物质炭的制备工艺和方法。

Description

一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法
技术领域
本发明属于固体废弃物资源利用与环境保护领域,特别涉及一种利用酸化铜渣得到的金属离子液来催化生物质水热炭化反应制备生物质炭的工艺及方法。
背景技术
我国每年都会产生大量包括农作物秸秆、木材废料、污泥、有机固体垃圾等废弃生物质。这些生物质含有纤维素、半纤维素和木质素等有机物,经过反应可以转化成糖类。目前我们对于废弃生物质的利用率不高,而且直接焚烧或填埋等处理方式也会对环境产生污染。近些年来,有关废弃生物质的水热炭化和热裂解等研究越来越多。
水热炭化反应是制备生物质炭的有效方式之一,即在密闭的反应容器里,利用水作为反应介质,通过一定时间的加热反应使得生物质慢慢溶解并炭化。水热炭化反应的进行程度和效率受到加热温度、加热时间、催化剂等条件的影响。目前一些制备工艺和方法使得生物质炭的制备效率不高,因此设计一种成本低廉、催化效率高的催化剂用于水热炭化反应非常关键。利用催化的方法进一步降低生物质水热炭化反应的成本,为生物质的清洁高效利用提供新的技术方案和方法是当前的技术瓶颈。
发明内容
基于目前的水热炭化反应效率不高的现状,研究一种促进生物质水热炭化反应的环保方法,本发明提出一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,能更好地将难以有效利用的生物质转化成方便人们使用的高品质生物质炭。
为了更好地促进水热炭化反应,本发明采用了如下技术方法:
本发明提供了一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,用于将生物质原材料通过水热炭化反应得到可利用的生物质炭。其特征在于,包括以下步骤:
a) 酸化铜渣:将废弃铜渣进行酸化,按照1:20的固液比加入体积分数为20%的硫酸,控制PH值在3~6之间,反应完成后过滤掉渣滓到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液;
b) 生物质初步处理:将生物质进行干燥并破碎处理,得到生物质粉末,粒径为0.5~3μm;
c) 水热炭化反应:使生物质粉末和金属离子液按照1:5的比例在水热炭化反应釜中混合并在一定的温度和压力下反应,控制温度为150~300℃、压力为0.5~10MPa、时间2~5h;
d) 固液分离:将反应产物进行固液分离,得到炭化液和生物质炭;
e) 干燥、破碎和压碎处理:将分离得到的生物质炭进行脱水、干燥和破碎处理,最终采用热压压缩成型,制备出可利用的优质生物质炭。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:其中,铜渣中含有多种金属,按照1:20的固液比加入体积分数为20%的硫酸酸化处理后可以得到含大量Fe3+、Ca2+、Al3+、Zn2+等金属离子的液体。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还具有以下特征:步骤b中,干燥处理的温度为50~60℃,时间为5~6h,得到生物质粉末粒径为0.5~3μm。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:在对铜渣进行酸化的过程中,控制反应的PH值在3~6之间。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:步骤c中,生物质粉末与金属离子液按照1:5的比例在反应釜中混合。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:在水热炭化反应过程中,发生器是高温高压的反应釜,控制温度为150~300℃、通入氮气使得压力为0.5~10MPa、反应时间为2~5h。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:在步骤d的固液分离阶段,采用的微孔滤膜孔径为0.5~1μm。
本发明提供的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,还可以具有这样的特征:在步骤e中,脱水、干燥后水热炭化的固体产物含水率小于10%;采用热压压缩成型装置,在温度100~200℃条件下以10~30Mpa左右的压力进行压制,得到生物质炭。
有益效果
本发明提出了一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,不但更好地利用了废弃铜渣,一定程度上减少了对环境的污染,而且还有利于加快生物质水热炭化反应,降低了生物质原料转化为生物质炭的反应温度。金属离子使得水热炭化反应能在较低的温度下得到更高热值以及含碳量的生物炭。本发明的关键技术是利用酸化后铜渣中的金属离子来催化水热炭化反应,当加入金属离子液,且反应温度为250℃时,生物质炭比表面积可在1000m2/g以上,生物质炭的含碳量和热值分别可达68.44%和25.6MJ·kg-1,是同等条件下未加金属离子液反应得到的生物质碳含量以及热值的1.5倍以上。
说明书附图
图1是一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法的流程示意图。
具体实施例
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的描述。
此实施例的生物质原料为农作物秸秆。
图1是一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法的流程示意图。
实施例1
如图1所示,采用秸秆作为生物质原料并利用铜渣中金属离子催化水热炭化制备生物质炭的工艺流程和方法如下:
第一步:将1kg废弃铜渣置于非金属反应釜中,按照1:20的固液比加入体积分数为20%的硫酸进行反应,反应温度为250℃,酸化时间为2h,反应完成后过滤渣滓得到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液。
第二步:将4kg生物质进行干燥并破碎处理,干燥处理的温度为50℃,时间为5h,得到生物质粉末,粒径为0.5~3μm。
第三步:使生物质粉末和金属离子液按照1:5的比例在高温高压反应釜中混合。混合均匀后往反应釜中通入氮气以保证无氧条件,将反应釜的温度调为250℃、压力设为5MPa,水热炭化反应时间为3h,得到水热炭化混合液。
第四步:待水热炭化混合液的温度降至室温,将反应产物利用孔径为0.5~1μm的微孔滤膜进行固液分离,分别得到炭化液和生物质炭。
第五步:将分离得到的生物质炭放入干燥机中进行脱水和干燥处理,在50℃下烘干6h,得到水热炭化的固体产物含水率小于10%,干燥完成后自然冷却。
第六步:将冷却后的生物质炭放入破碎机中破碎,用筛分机进行筛分,得到粒径1μm以下的颗粒物。
第七步:将粒径小于1μm的颗粒物在室温条件下进行水分复吸,直到平衡状态,采用热压压缩成型装置,在温度130℃条件下以20Mpa的压力进行压制,得到生物质炭。
实施例1作用与效果
根据本实施例得到的单位生物质炭的参数如下:含碳量和热值分别为68.44%和25.6MJ·kg-1,生物质炭颗粒成型前比表面积为1500m2/g左右。
实施例2
如图1所示,采用农作物秸秆作为生物质原料并利用铜渣中金属离子催化水热炭化制备生物质炭的工艺流程和方法如下:
第一步:将1kg废弃铜渣置于非金属反应釜中,按照1:20的固液比加入体积分数为30%的硫酸进行反应,反应温度为250℃,酸化时间为2h,反应完成后过滤掉渣滓得到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液。
第二步:将4kg生物质进行干燥并破碎处理,干燥处理的温度为50℃,时间为5h,得到生物质粉末,粒径为0.5~3μm。
第三步:使生物质粉末和金属离子液按照1:5的比例在高温高压反应釜中混合。混合均匀后往反应釜中通入氮气以保证无氧条件,将反应釜的温度调为250℃、压力设为5MPa,水热炭化反应时间为3h,得到水热炭化混合液。
第四步:待水热炭化混合液的温度降至室温,将反应产物利用孔径为0.5~1μm的微孔滤膜进行固液分离,分别得到炭化液和生物质炭。
第五步:将分离得到的生物质炭放入干燥机中进行脱水和干燥处理,在50℃下烘干6h,得到水热炭化的固体产物含水率小于10%,干燥完成后自然冷却。
第六步:将冷却后的生物质炭放入破碎机中破碎,用筛分机进行筛分,得到粒径1μm以下的颗粒物。
第七步:将粒径小于1μm的颗粒物在室温条件下进行水分复吸,直到平衡状态,采用热压压缩成型装置,在温度130℃条件下以20Mpa左右的压力进行压制,得到生物质炭。
实施例2 作用与效果
根据本实施例得到的单位生物质炭的参数如下:含碳量和热值分别为60.31%和21.54J·kg-1,生物质炭颗粒成型前比表面积为1200m2/g左右。
实施例3
如图1所示,采用农作物秸秆作为生物质原料并利用铜渣中金属离子催化水热炭化制备生物质炭的工艺流程和方法如下:
第一步:将1kg废弃铜渣置于非金属反应釜中,按照1:20的固液比加入体积分数为40%的硫酸进行反应,反应温度为250℃,酸化时间为2h,反应完成后过滤掉渣滓得到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液。
第二步:将4kg生物质进行干燥并破碎处理,干燥处理的温度为50℃,时间为5h,得到生物质粉末,粒径为0.5~3μm。
第三步:使生物质粉末和金属离子液按照1:5的比例在高温高压反应釜中混合。混合均匀后往反应釜中通入氮气以保证无氧条件,将反应釜的温度调为250℃、压力设为5MPa,水热炭化反应时间为3h,得到水热炭化混合液。
第四步:待水热炭化混合液的温度降至室温,将反应产物利用孔径为0.5~1μm的微孔滤膜进行固液分离,分别得到炭化液和生物质炭。
第五步:将分离得到的生物质炭放入干燥机中进行脱水和干燥处理,在50℃下烘干6h,得到水热炭化的固体产物含水率小于10%,干燥完成后自然冷却。
第六步:将冷却后的生物质炭放入破碎机中破碎,用筛分机进行筛分,得到粒径1μm以下的颗粒物。
第七步:将粒径小于1μm的颗粒物在室温条件下进行水分复吸,直到平衡状态,采用热压压缩成型装置,在温度130℃条件下以20Mpa左右的压力进行压制,得到生物质炭。
实施例3作用与效果
根据本实施例得到的单位生物质炭的参数如下:含碳量和热值分别为53.15%和18.99J·kg-1,生物质炭颗粒成型前比表面积为1000m2/g左右。

Claims (7)

1.一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,用于将生物质原材料通过水热炭化反应得到可利用的生物质炭,其特征在于,包括以下步骤:
a) 酸化铜渣:将废弃铜渣进行酸化,按照1:20的固液比加入体积分数为20%的硫酸,控制PH值在3~6之间,反应完成过滤掉渣滓得到作为水热炭化反应催化剂的金属离子液;
b) 生物质初步处理:将生物质进行干燥并破碎处理,得到生物质粉末,粒径为0.5~3nm;
c) 水热炭化反应:使生物质粉末和金属离子液按照1:5的固液比在高温高压反应釜中混合并在一定的温度和压力下反应,控制温度为150~300℃、压力为0.5~10MPa、时间为2~5h;
d) 固液分离:将反应产物进行固液分离,得到炭化液和生物质炭;
e) 干燥、破碎和压碎处理:将分离得到的生物质炭进行脱水、干燥和破碎处理,最终采用热压压缩成型,制备出可利用的优质生物质炭。
2.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:铜渣中含有多种金属,加入体积分数为20%的硫酸酸化处理后可以得到含大量Fe3+、Ca2+、Al3+、Zn2+等金属离子的液体。
3.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:步骤b中,干燥处理的温度为50~60℃,时间为5~6h,得到生物质粉末粒径为0.5~3nm。
4.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:在对铜渣进行酸化的过程中,控制反应的PH值在3~6之间。
5.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:步骤c中,生物质粉末与金属离子液按照1:10~1:50的比例在反应釜中混合。
6.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:在水热炭化反应过程中,发生器是高温高压的反应釜,控制温度为150~300℃、通入氮气使得压力为0.5~10MPa、反应时间为2~5h。
7.根据权利要求书1所述的一种利用铜渣中金属离子催化水热炭化的工艺及方法,其特征在于:在步骤e中,脱水、干燥后水热炭化的固体产物含水率小于10%;采用热压压缩成型装置,在温度100~200℃条件下以10~30Mpa左右的压力进行压制,得到生物质炭。
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