CN114213859B - 一种含碳复合材料及其制备方法与在厨余垃圾处理中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环保材料制备技术领域，具体公开了一种含碳复合材料及其制备方法与在厨余垃圾处理中的应用。所述的含碳复合材料的制备方法，其包含如下步骤：(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到菌液中浸泡，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料。将该含碳复合材料用于处理厨余垃圾，其具有较高的产气量以及挥发性固体含量去除率。
Description
技术领域
本发明涉及厨余垃圾处理技术领域，具体涉及一种含碳复合材料及其制备方法与在厨余垃圾处理中的应用。
背景技术
厨余垃圾是指家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业在日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾。目前厨余垃圾处理的处理方式主要有填埋法、焚烧法、厌氧发酵、好氧堆肥法以及生物转化技术。
厌氧发酵是指采用甲烷菌在缺氧或无氧环境下，将厨余垃圾分解为甲烷、二氧化碳和水等，其中产生的甲烷是一种清洁能源，可以作为用于发电、集中供热。但采用厌氧发酵技术来处理厨余垃圾存在发酵时间长、挥发性固体含量去除率不高、以及产气量低等问题。
发明内容
本发明目的在于至少在一定程度上解决背景技术中指出的其中之一的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种含碳复合材料的制备方法，其包含如下步骤：
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到菌液中浸泡，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料。
发明人通过大量的实验摸索发现：将植物纤维和碳纳米管混合后经混合溶剂处理，然后再放入菌液中浸泡得到的含碳复合材料，将该含碳复合材料用于处理厨余垃圾，其具有较高的产气量以及挥发性固体含量去除率。
优选地，步骤(1)中植物纤维与碳纳米管的重量比为5～10:1。
进一步优选地，步骤(1)中植物纤维与碳纳米管的重量比为6～8:1。
最优选地，步骤(1)中植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1。
优选地，步骤(1)中所述的植物纤维选自玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合；
所述的玉米秸秆纤维与椰壳纤维的重量比为2～4:1。
最优选地，所述的玉米秸秆纤维与椰壳纤维的重量比为3:1。
发明人进一步研究发现，在本发明所述的方法中，植物纤维的种类对于制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率具有重要的影响。发明人在研究过程中惊奇的发现，当植物纤维采用玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合时，其制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率远远高于仅仅采用玉米秸秆纤维或椰壳纤维制备得到的含碳复合材料。
优选地，步骤(2)中植物纤维与碳纳米管混合物与混合溶剂的重量比为1:15～25。
最优选地，步骤(2)中植物纤维与碳纳米管混合物与混合溶剂的重量比为1:20。
优选地，所述的混合溶剂是指由乙酸乙酯、甲醇和水组成的混合溶剂。
其中，乙酸乙酯、甲醇和水的重量比为1:3～5:7～10。
最优选地，乙酸乙酯、甲醇和水的重量比为1:4:8。
发明人进一步研究发现，在本发明所述的方法中，混合溶剂的组成对于制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率同样具有重要的影响。发明人在研究过程中惊奇的发现，当混合溶剂是由乙酸乙酯、甲醇和水组成时，其制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率远远高于采用其它溶剂制备得到的含碳复合材料。
优选地，步骤(2)中所述的超声时间为1～3h。
最优选地，步骤(2)中所述的超声时间为2h。
优选地，步骤(3)中前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:10～15mL。
优选地，步骤(3)中所述的菌液中细菌的含量为1～3×105cfu/mL。
最优选地，步骤(3)中所述的菌液中细菌的含量为2×105cfu/mL。
所述的细菌为甲烷菌；
优选地，步骤(3)中所述的浸泡，是指在25～30℃下浸泡4～6d。
本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的含碳复合材料。
本发明还提供了一种上述含碳复合材料在厨余垃圾处理中的应用。
有益效果：本发明提供了一种全新方法制备得到的含碳复合材料；将该含碳复合材料用于处理厨余垃圾，其具有较高的产气量以及挥发性固体含量去除率。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例并不限定本发明的保护范围。
以下实施例中多壁碳纳米管购自山东大展纳米材料有限公司生产的多壁碳纳米管碳纳米管(碳管直径：15-30nm，碳管长度：3-15um，碳管厚度：4.1±1.3nm)
以下实施例中甲烷菌购自山东苏柯汉生物工程股份有限公司生产的牌号为ZH-1001的甲烷菌。
以下实施例中，挥发性固体含量通过如下方法测量：将样品放置瓷坩埚中，称重记为ag，然后放入马弗炉内，在600℃灼烧2h，取出冷却称重，记作bg；计算ag-bg即得所述样品挥发性固体含量。挥发性固体含量去除率＝(处理前样品挥发性固体含量-处理后样品挥发性固体含量)/处理前样品挥发性固体含量。
实施例1含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1；所述的植物纤维由玉米秸秆纤维与椰壳纤维按重量比为3:1组成；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理2h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:20；所述的混合溶剂由重量比为1:4:8的乙酸乙酯、甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为2×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡5d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:12mL。
实施例2含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为5:1；所述的植物纤维由玉米秸秆纤维与椰壳纤维按重量比为2:1组成；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理1h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:15；所述的混合溶剂由重量比为1:3:10的乙酸乙酯、甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为1×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在30℃下浸泡6d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:15mL。
实施例3含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为10:1；所述的植物纤维由玉米秸秆纤维与椰壳纤维按重量比为4:1组成；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理1h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:25；所述的混合溶剂由重量比为1:5:7的乙酸乙酯、甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为3×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡4d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:10mL。
对比例1含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1；所述的植物纤维为玉米秸秆纤维；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理2h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:20；所述的混合溶剂由重量比为1:4:8的乙酸乙酯、甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为2×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡5d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:12mL。
对比例1与实施例1的区别在于，植物纤维仅仅选用玉米秸秆纤维；而实施例1所述的植物纤维选自玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合。
对比例2含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1；所述的植物纤维为椰壳纤维；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理2h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:20；所述的混合溶剂由重量比为1:4:8的乙酸乙酯、甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为2×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡5d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:12mL。
对比例1与实施例1的区别在于，植物纤维仅仅选用椰壳纤维；而实施例1所述的植物纤维选自玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合。
对比例3含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1；所述的植物纤维由玉米秸秆纤维与椰壳纤维按重量比为3:1组成；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入水中进行超声处理2h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和水的重量比为1:20；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为2×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡5d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:12mL。
对比例3与实施例1的区别在于，对比例3将植物纤维与碳纳米管混合物放入水进行超声处理；而实施例1则是将植物纤维与碳纳米管混合物放入由乙酸乙酯、甲醇和水组成的混合溶剂中进行超声处理。
对比例4含碳复合材料的制备
(1)取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1；所述的植物纤维由玉米秸秆纤维与椰壳纤维按重量比为3:1组成；
(2)将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理2h，超声处理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；其中，植物纤维与碳纳米管混合物和混合溶剂的重量比为1:20；所述的混合溶剂由重量比为4:8的甲醇和水组成；
(3)将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到浓度为2×105cfu/mL的甲烷菌菌液中，在25℃下浸泡5d，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；其中，前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:12mL。
对比例4与实施例1的区别在于，对比例4将植物纤维与碳纳米管混合物放入由甲醇和水组成的混合溶剂中进行超声处理；而实施例1则是将植物纤维与碳纳米管混合物放入由乙酸乙酯、甲醇和水组成的混合溶剂中进行超声处理。
实验例厨余垃圾的处理
(1)取某饭店的厨余垃圾3kg，平均分成7份，每份1kg。
(2)将厨余垃圾分别放入7个发酵罐中，分别加入2L水，以及分别加入厨余垃圾重量3％的实施例1～3以及或对比例1～4制备得到的含碳复合材料；控制温度在35℃，发酵7天；发酵过程中收集产生的气体。经7天发酵结束后计算产气量以及挥发性固体含量的去除率；结果见表1所示。
表1.厨余垃圾的处理结果
| 发酵用材料 | 产气量 | 挥发性固体含量的去除率 |
| 实施例1含碳复合材料 | 278mL/g | 99％ |
| 实施例2含碳复合材料 | 252mL/g | 93％ |
| 实施例3含碳复合材料 | 266mL/g | 96％ |
| 对比例1含碳复合材料 | 114mL/g | 78％ |
| 对比例2含碳复合材料 | 145mL/g | 82％ |
| 对比例3含碳复合材料 | 138mL/g | 80％ |
| 对比例4含碳复合材料 | 166mL/g | 85％ |
注：产气量是以厨余垃圾中1g挥发性固体为基础计算的气体产量。
由表1结果可以看出，实施例1～3制备得到的含碳复合材料经7d的发酵，厨余垃圾中的挥发性固体含量的去除率在90％以上，产气量在250mL/g以上。这说明：将植物纤维和碳纳米管混合后经混合溶剂处理，然后再放入菌液中浸泡得到的含碳复合材料，将该含碳复合材料用于处理厨余垃圾，其具有较高的产气量以及挥发性固体含量去除率。
由表1结果还可以看出，实施例1制备得到的含碳复合材料其对挥发性固体含量的去除率以及产气量远远高于对比例1和2；这说明：植物纤维的种类对于制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率具有重要的影响。当植物纤维采用玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合时，其制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率远远高于仅仅采用玉米秸秆纤维或椰壳纤维制备得到的含碳复合材料。
由表1结果还可以看出，实施例1制备得到的含碳复合材料其对挥发性固体含量的去除率以及产气量远远高于对比例3和4；这说明：混合溶剂的组成对于制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率同样具有重要的影响。当混合溶剂是由乙酸乙酯、甲醇和水组成时，其制备得到的含碳复合材料在处理厨余垃圾过程中的产气量以及挥发性固体含量去除率远远高于采用其它溶剂制备得到的含碳复合材料。
Claims (13)
1.一种含碳复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）取植物纤维与碳纳米管混合，得植物纤维与碳纳米管混合物；
（2）将植物纤维与碳纳米管混合物放入混合溶剂中进行超声处理，超声处
理结束后，分离固体，干燥后得经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物；
（3）将经前处理的植物纤维与碳纳米管混合物加入到菌液中浸泡，浸泡结束后取出固体，干燥后即得所述的含碳复合材料；
步骤（1）中所述的植物纤维选自玉米秸秆纤维以及椰壳纤维的混合；所述的玉米秸秆纤维与椰壳纤维的重量比为2~4:1；
步骤（1）中植物纤维与碳纳米管的重量比为5~10:1；
步骤（2）中植物纤维与碳纳米管混合物与混合溶剂的重量比为1:15~25；
所述的混合溶剂是指由乙酸乙酯、甲醇和水组成的混合溶剂；其中，乙酸乙酯、甲醇和水的重量比为1:3~5:7~10。
2.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中植物纤维与碳纳米管的重量比为6~8:1。
3.根据权利要求2所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中植物纤维与碳纳米管的重量比为7:1。
4.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的玉米秸秆纤维与椰壳纤维的重量比为3:1。
5.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中植物纤维与碳纳米管混合物与混合溶剂的重量比为1:20。
6.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，乙酸乙酯、甲醇和水的重量比为1:4:8。
7.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的超声时间为1~3h。
8.根据权利要求7所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的超声时间为2h。
9.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中前处理的植物纤维与碳纳米管混合物和菌液的用量比为1g:10~15mL。
10.根据权利要求1所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的菌液中细菌的含量为1~3×105cfu/mL；
所述的细菌为甲烷菌；
步骤（3）中所述的浸泡，是指在25~30℃下浸泡4~6d。
11.根据权利要求10所述的含碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的菌液中细菌的含量为2×105cfu/mL。
12.权利要求1~11任一项所述的制备方法制备得到的含碳复合材料。
13.权利要求12所述的含碳复合材料在厨余垃圾处理中的应用。
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