CN112774633A - 一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用，本发明提供了湿垃圾发酵沼渣为原料，利用活化、热解和凝胶化工艺制备得到具有高性能污染治理的生物炭材料和水凝胶材料。湿垃圾包括各种餐饮垃圾、厨余垃圾、绿化垃圾或高有机质含量废弃生物质。本发明是在气体氛围保护作用下，对湿垃圾厌氧发酵沼渣采用一锅法进行共热解，工艺简单高效，绿色环保。本发明得到的固体水凝胶解决了生物炭利用过程中的固液分离问题，使生物炭的应用范围进一步拓宽，提高了其利用价值。本发明利用废弃生物质制备的材料处理受污染环境，实现了环保中的“以废治废”的目标。

Description

一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用

技术领域

本发明属于环境保护领域，具体涉及一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用。

背景技术

随着社会的发展以及城市化水平的提高，在人们的日常生活中产生越来越多的生活垃圾，且呈现出了一个快速增长的态势，而就在这城市生活垃圾当中，湿垃圾的比重就达到了约50-60%。湿垃圾主要包括餐饮垃圾、厨余垃圾、绿化垃圾、高有机物含量废弃生物质等，具有含水率高、含盐量高、有机质含量高、热值低和生物降解性好等特点。若不对逐渐增多的城市生活垃圾尤其是湿垃圾进行有效的处理，不仅会对人们的生产生活造成极大的影响，还会对人们的身体健康产生极大的危害。

湿垃圾的自然填埋对土壤、地下水、大气等都会造成现实的影响和潜在的危害，尤其垃圾渗滤液问题更是制约垃圾填埋的重要因素。因此湿垃圾的自然填埋终究不是长久的安全处置方法。另外，垃圾的直接焚烧发电，不仅会产生大量的烟尘还会产生剧毒的二恶英，造成严重的空气污染。

湿垃圾资源化技术主要有饲料化技术、肥料化处理技术、生物厌氧发酵处理技术和生物柴油技术等。而目前湿垃圾的处理方法较好的是采用厌氧发酵法，厌氧发酵法处理湿垃圾的好处主要有能耗低、成本低以及环境效益好等。但湿垃圾厌氧发酵后会产生大量的沼渣，这就导致其资源化的利用程度较低。因此为了对湿垃圾厌氧发酵残渣进行深一步的综合处理利用，提高其资源化利用效率，降低资源浪费，以期实现湿垃圾资源化利用的环境以及经济效益最大化。固本发明利用其制备成生物炭材料和固体水凝胶材料，便可使湿垃圾发酵的沼渣等得到充分的再利用。

目前由废弃生物质制备而成的生物炭，具有较多的优点，其碳含量高，吸附性能强，具有多孔性、多用途，价格低廉是一种比较理想的污染治理材料。实际的生产生活中会产生诸多的受污染环境，而由废弃生物质制备的生物炭材料对其大都具有较好的修复作用。利用废弃生物质制备生物炭可通过化学活化或物理活化方法，化学活化制备方法较物理活化制备方法工艺复杂，且容易产生二次污染因此物理活化相对较好。

目前制备的生物炭大都以粉末状形式存在，其应用于实际的污染环境过程中，尤其是受污染的水体环境中，难以实现将其从中重新分离，更难以实现生物炭的重复再利用，因此亟待开发一种可以实现生物炭与受污染环境较好分离的形态。而水凝胶的固体形态可以有效的弥补生物炭的不足，可极大的拓宽生物炭的应用范围，还可较好的实现生物炭的重复利用性。

本发明涉及生物炭物理活化方法，即在生物炭热解制备过程中，在一定的气体氛围保护作用下，实现对湿垃圾厌氧发酵残渣的改性，进而制备出具有高性能处理污染环境的生物炭。本发明涉及生物炭的水凝胶成型工艺，既提供了不同的形态，同时兼有较好的污染治理能力，对废弃生物质的资源化利用以及生物炭的长效使用都具有积极意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用。

本发明提供的一种以湿垃圾制备生物炭的方法及其应用，在气体氛围的保护下，与湿垃圾厌氧发酵沼渣采用一锅法共热解，制备具有高性能污染处理的生物炭材料；利用所述生物炭材料经过凝胶化处理制备高性能污染处理的水凝胶材料。所述湿垃圾主要包括餐饮垃圾、厨余垃圾、绿化垃圾、高有机物含量废弃生物质。

一种以湿垃圾制备生物炭的方法，具体的步骤如下：

（1）将湿垃圾发酵残渣放入瓷舟内，置于管式炉中，在气体氛围保护下进行热解，热解温度为400-800 ℃，维持1-4 h，气体流速为0.2~1 L/min；

（2）热解反应后，将步骤（1）所得产物冷却至室温后取出，得到高性能污染治理生物炭材料；

（3）将步骤（2）得到的生物炭材料，放于研钵中研磨并过100目筛，得到生物炭粉末。

本发明中，步骤（1）中所述湿垃圾为餐饮垃圾、厨余垃圾、绿化垃圾或高有机物含量废弃生物质中的任意一种或几种混合物。

一种所述的方法制备得到的生物炭应用于制备固体水凝胶，具体步骤如下：

（1）将1-2 g生物炭粉末、2-4 g丙烯酰胺（AM）和0.1-0.6 g N，N'-亚甲基双酰基酰胺（MBA）放于磁力搅拌器中，剧烈搅拌40-80 min，加入0.1-0.5 g十二烷基硫酸钠，继续剧烈搅拌20-30 min，加入1-2 mL N，N，N'，N'-四甲基乙二胺（TMEDA），剧烈搅拌5-10 min，加入5-10 mL过硫酸钠（Na₂S₂O₈），得到发泡浆料；

（2）将步骤（1）得到的发泡浆料，迅速转移至模具中，脱模，得到具有高性能污染处理的固体水凝胶材料。

本发明的有益效果在于：本发明在反应过程中，气体氛围的保护作用，在高温条件下可以有效的抑制与污染治理相关的金属灰分的分解，从而得到低环境风险，环境友好的高性能污染治理生物炭材料，这既实现了对废弃生物质的再利用，又实现了对污染水体及土壤的治理，达到了“以废治废”的环境目标，还可实现良好的经济效益。

本发明中制备的固体水凝胶，可以有效的解决生物炭粉末应用过程中难以实现固液分离的问题，既便于生物炭固体水凝胶的再利用，同时也拓宽了生物炭的应用范围，提高其应用的价值。

附图说明

图1为本发明方法基本工艺流程图。

图2为实施例1中氮气气氛不同温度生物炭对铅污染水体的吸附性能。

图3为实施例2中二氧化碳气氛不同温度生物炭对铅污染水体的吸附性能。

图4为实施例3中生物炭固体水凝胶的机械强度。

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

将10 g粉碎且过筛后的餐饮垃圾厌氧发酵沼渣，放置于瓷舟内，并置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的氮气气体的氛围下以10℃ /min的升温速率，分别加热至400 ℃、500℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃，并维持1.5小时，待反应结束后冷却至室温，得到生物炭材料。利用不同温度条件下得到的生物炭材料对Pb重金属污染水体进行吸附，其饱和吸附容量分别为75.2 mg/g、158.7 mg/g、263.2 mg/g、188.7 mg/g、126.6 mg/g。

实施例2

将10 g粉碎且过筛后的餐饮垃圾厌氧发酵沼渣，放置于瓷舟内，并置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的二氧化碳气体的氛围下以10 ℃ /min的升温速率，分别加热至400℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃，并维持1.5小时，待反应结束后冷却至室温，得到生物炭材料。利用不同温度条件下得到的生物炭材料对Pb重金属污染水体进行吸附，其饱和吸附容量分别为117.8 mg/g、169.5 mg/g、236.4 mg/g、555.6 mg/g、384.6 mg/g。

实施例3

将10 g粉碎且过筛后的餐饮垃圾厌氧发酵沼渣，放置于瓷舟内，并置于管式炉中，在流速为0.1 L/min的二氧化碳气体的氛围下以10 ℃ /min的升温速率，分别加热至700℃，并维持1.5小时，待反应结束后冷却至室温，得到生物炭材料。将3.6 g的丙烯酰胺（AM），0.3 g 的N，N'-亚甲基双酰基酰胺（MBA）与1.5 g所得到的生物炭材料放置于磁力搅拌器中，剧烈搅拌40 min，得到均匀的浆料。然后在剧烈的搅拌下，将0.3 g十二烷基硫酸钠添加至均匀浆料中，继续搅拌20 min以使浆料发泡。之后加入1.2 mL的N，N，N'，N'-四甲基乙二胺（TMEDA），剧烈搅拌5 min，继续加入5 mL质量浓度为10 %的过硫酸钠（Na₂S₂O₈），随后将发泡浆料迅速转移至模具中，几分钟后形成固体水凝胶，用水冲洗后即得生物炭固体水凝胶。得到的生物炭固体水凝胶对Pb重金属污染水体进行吸附，其饱和吸附容量可达到104.2mg/g；将得到的生物炭固体水凝胶在50 %的压缩强度下进行五次循环压缩，以测定其机械强度，结果显示其仍表现出良好的恢复性能。

Claims (3)

1.一种以湿垃圾制备生物炭的方法，其特征在于具体的步骤如下：

（1）将湿垃圾发酵残渣放入瓷舟内，置于管式炉中，在气体氛围保护下进行热解，热解温度为400-800 ℃，维持1-4 h，气体流速为0.2~1 L/min；

（2）热解反应后，将步骤（1）所得产物冷却至室温后取出，得到高性能污染治理生物炭材料；

（3）将步骤（2）得到的生物炭材料，放于研钵中研磨并过100目筛，得到生物炭粉末。

2.根据权利要求1所述的以湿垃圾制备生物炭的方法，其特征在于步骤（1）中所述湿垃圾为餐饮垃圾、厨余垃圾、绿化垃圾或高有机物含量废弃生物质中的任意一种或几种混合物。

3.一种如权利要求1所述的方法制备得到的生物炭应用于制备固体水凝胶，其特征在于具体步骤如下：

（1）将1-2 g生物炭粉末、2-4 g丙烯酰胺（AM）和0.1-0.6 g N，N'-亚甲基双酰基酰胺（MBA）放于磁力搅拌器中，剧烈搅拌40-80 min，加入0.1-0.5 g十二烷基硫酸钠，继续剧烈搅拌20-30 min，加入1-2 mL N，N，N'，N'-四甲基乙二胺（TMEDA），剧烈搅拌5-10 min，加入5-10 mL过硫酸钠（Na₂S₂O₈），得到发泡浆料；

（2）将步骤（1）得到的发泡浆料，迅速转移至模具中，脱模，得到具有高性能污染处理的固体水凝胶材料。

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