CN114259985A - 一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，采用餐厨垃圾作为原材料，属于生物废弃资源的再生利用，绿色环保，制备方法简单，易操作，无需特殊设备，适于工业化生产；避免了传统的高温热解法制备活性炭能源消耗高、活性基团低的缺点，得到的生物炭对六价铬离子有很强的的吸附能力，尤其在常温下，处理范围是0‑100mg/L，其最大吸附量可达14mg/g；另外，用本发明方法制备的生物炭吸附含金属六价Cr(VI)离子，其吸附速度快且可多次重复使用，吸附温度是10‑40℃，可在pH为2‑10时使用。
Description
技术领域
本发明涉及生物炭制备技术领域，具体而言，涉及一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法。
背景技术
人类的生活源、农业源、工业源等有机固废年产量很高，通过高温热解制备生物炭能实现有机固废的减量化和资源化利用。生物炭是一种优良的吸附材料，传统制备具备吸附特殊离子功能的生物炭材料不仅制备工艺复杂，而且制备原料不易得到。
厨余是指居民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，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头、物质等多种有机组分，其主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。据统计，全世界年产厨余垃圾近13亿吨，占全球加工食物的近1/3；中国的厨余垃圾年产量在1.95亿吨占生活固体垃圾产量的56%左右。厨余垃圾的主要特征是高含水率、高含盐率，高含油率及高有机物含量。目前用于厨余垃圾处理的主要方法有厌氧消化、填埋和焚烧等，其中应用最多的是填埋，但是该技术要占用大量的土地，同时填埋还会产生大量的甲烷气体，作为一种温室气体，甲烷的比增温潜能远高于二氧化碳。因此，需要寻求新的办法对厨余垃圾进行处理。
由于厨余垃圾富含有机物，因此将其制作成具有良好吸附能力的生物炭，能够实现厨余垃圾的资源化利用，还是一种良好的固碳方式。
发明内容
本发明正是基于上述技术问题至少之一，本发明提供一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，过上述方法制备得到的生物炭对六价铬离子有很强的吸附能力，在常温下就对六价铬离子具有优良的吸附性能，处理范围是0-100mg/L。
有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，包括以下步骤：
将厨余垃圾清洗、烘干并粉碎后过筛，得到垃圾颗粒；
将所述垃圾颗粒在氮气氛围中以15-20℃min-1升温到400-800℃并保温180-200min，再降温60min后冷却至室温得到初级生物炭；将所述初级生物炭研磨后过筛；
将铁源混合物与经过研磨过筛后的所述初级生物炭在蒸馏水中混合后水浴升温且设置转速为300-400r/min；水浴温度达到90-92℃后，加入氨水继续搅拌反应1.5-2h后，冷却至室温，得到复合材料；
将所述复合材料冲洗、干燥后过筛，并利用金属铈对所述复合材料修饰改性即可。
在一些实施例中，所述铁源混合物为FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O的质量比为1.4-1.6：1；其中所述铁源混合物与所述初级生物炭的质量比为1.2-1.4：1。
在一些实施例中，所述初级生物炭在所述蒸馏水中的浓度为2.5-3%。
在一些实施例中，将所述复合材料冲洗为利用蒸馏水将所述复合材料冲洗至pH不再发生变化；所述复合材料干燥为在真空干燥箱中50-60℃下烘干并过80目筛网。
在一些实施例中，利用利用金属铈对所述复合材料修饰方法为，将所述复合材料浸渍到四水合硫酸铈溶液中7-9h；后用去离子水将浸渍后的所述复合材料冲洗后烘干即可。
在一些实施例中，所述四水合硫酸铈溶液的浓度为0.1g·L-1-3.0g·L-1。
根据本发明的第二个目的提出了一种生物炭，所述生物炭为利用上述任一实施例中的方法制备得到，其用于吸附介质中的六价铬离子。
本发明避免了传统的高温热解法制备活性炭能源消耗高、活性基团低的缺点，产生的生物炭对六价铬离子有很强的的吸附能力，尤其在常温下，处理范围是0-100mg/L，其最大吸附量可达14mg/g；另外，用本发明方法制备的生物炭吸附含六价铬离子的水容器，其吸附速度快且可多次重复使用，吸附温度是10-40℃，可在pH为2-10时使用。本发明采用餐厨垃圾作为原材料，属于生物废弃资源的再生利用，绿色环保，制备方法简单，易操作，无需特殊设备，适于工业化生产。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提出了一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，用学校食堂的餐厨垃圾作为生物质制备生物炭。将餐厨垃圾清洗干净，在105℃的电热鼓风干燥箱中烘干，将烘干后的餐厨垃圾剪成小段然后用破壁机将餐厨垃圾粉碎成颗粒，过60目不锈钢筛网进行筛分。餐厨垃圾颗粒在管式炉氮气氛围中以15℃·min-1，升温到800℃保温180min，降温60min后冷却至室温，得到的黑色颗粒为初级生物炭。将初级生物炭用玛瑙研钵研磨后过80目筛网，取筛下物装入自封袋中密封备用。
铁源混合物为FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O；将9.76g的FeCl3·6H2O和6.72g的FeSO4·7H2O与8.0g研磨后的初级生物炭分别倒入500mL的三颈烧瓶，本实施例中的FeCl3·6H2O多于FeSO4·7H2O，防止FeSO4·7H2O中的Fe2+提前被氧化。最后在三角瓶中倒入320mL的蒸馏水并塞好塞子进行轻微摇晃将初级生物炭与铁源混合物充分混合，并将三颈瓶放入恒温水浴锅中固定好搅拌调转速至300rad·min-1。当恒温水浴锅中的水温加热到90℃后，在搅拌状态下打开塞子快速地加入16mL氨水，其中氨水是含氨25%-28%的水溶液，三颈瓶以300rad·min-1的转速搅拌反应1.5h，反应完毕后将三颈烧瓶冷却至室温。
将得到的黑色的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化。最后将黑色的复合材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网。将复合材料投加到浓度为0.3g·L-1的四水合硫酸铈溶液中浸渍8h，浸渍温度为25℃；然后用去离子水将浸渍后的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化，最后将所得材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网，取筛下物即可。
本发明中的通过简单的浸渍改性方法把铈离子负载到复合材料上，从而提高生物炭对六价铬离子的吸附去除效果。
实施例2
本实施例提出了一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，用学校食堂的餐厨垃圾作为生物质制备生物炭。将餐厨垃圾清洗干净，在105℃的电热鼓风干燥箱中烘干，将烘干后的餐厨垃圾剪成小段然后用破壁机将餐厨垃圾粉碎成颗粒，过60目不锈钢筛网进行筛分。餐厨垃圾颗粒在管式炉氮气氛围中以15℃·min-1，升温到700℃保温180min，降温60min后冷却至室温，得到的黑色颗粒为初级生物炭。将初级生物炭用玛瑙研钵研磨后过80目筛网，取筛下物装入自封袋中密封备用。
铁源混合物为FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O；将10g的FeCl3·6H2O和7g的FeSO4·7H2O与8.0g研磨后的初级生物炭分别倒入500mL的三颈烧瓶，本实施例中的FeCl3·6H2O多于FeSO4·7H2O，防止FeSO4·7H2O中的Fe2+提前被氧化。最后在三角瓶中倒入320mL的蒸馏水并塞好塞子进行轻微摇晃将初级生物炭与铁源混合物充分混合，并将三颈瓶放入恒温水浴锅中固定好搅拌调转速至350rad·min-1。当恒温水浴锅中的水温加热到90℃后，在搅拌状态下打开塞子快速地加入16mL氨水，其中氨水是含氨25%-28%的水溶液，三颈瓶以350rad·min-1的转速搅拌反应2h，反应完毕后将三颈烧瓶冷却至室温。
将得到的黑色的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化。最后将黑色的复合材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网。将复合材料投加到浓度为0.6g·L-1的四水合硫酸铈溶液中浸渍8h，浸渍温度为25℃；然后用去离子水将浸渍后的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化，最后将所得材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网，取筛下物即可。
实施例3
本实施例提出了一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，用学校食堂的餐厨垃圾作为生物质制备生物炭。将餐厨垃圾清洗干净，在105℃的电热鼓风干燥箱中烘干，将烘干后的餐厨垃圾剪成小段然后用破壁机将餐厨垃圾粉碎成颗粒，过60目不锈钢筛网进行筛分。餐厨垃圾颗粒在管式炉氮气氛围中以15℃·min-1，升温到500℃保温180min，降温60min后冷却至室温，得到的黑色颗粒为初级生物炭。将初级生物炭用玛瑙研钵研磨后过80目筛网，取筛下物装入自封袋中密封备用。
铁源混合物为FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O；将11.2g的FeCl3·6H2O和7g的FeSO4·7H2O与8.0g研磨后的初级生物炭分别倒入500mL的三颈烧瓶。最后在三角瓶中倒入320mL的蒸馏水并塞好塞子进行轻微摇晃将初级生物炭与铁源混合物充分混合，并将三颈瓶放入恒温水浴锅中固定好搅拌调转速至400rad·min-1。当恒温水浴锅中的水温加热到90℃后，在搅拌状态下打开塞子快速地加入16mL氨水，其中氨水是含氨25%-28%的水溶液，三颈瓶以400r·min-1的转速搅拌反应1.8h，反应完毕后将三颈烧瓶冷却至室温。
将得到的黑色的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化。最后将黑色的复合材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网。将复合材料投加到浓度为0.9g·L-1的四水合硫酸铈溶液中浸渍8h，浸渍温度为25℃；然后用去离子水将浸渍后的复合材料反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化，最后将所得材料在真空干燥箱中于50℃下烘干，过80目筛网，取筛下物即可。
实施例4-实施例6
实施例4到实施例6中四水硫酸铈溶液的浓度分别为1.5g·L-1、2.0g·L-1和3.0g·L-1，浸渍时间为8h，浸渍温度为25℃。用蒸馏水将浸渍后的生物炭反复冲洗过滤，直至pH不再发生变化。其他技术特征均与实施例1相同，不再赘述。
实施例7
将制备好的实施例1-7中制备得到的生物炭分别投入初始浓度为50mg·L-1的含六价铬离子的溶液中，在振荡速率120r·min-1、温度为25℃的恒温振荡培养箱中振荡反应4h。
实验结果表明，随着铈离子浓度的增加，所制备的生物炭对溶液中六价铬离子的去除效果越好。本着去除效果好，但又经济节约的原则，之后采用1.5g·L-1的四水硫酸铈进行负载改性。
吸附实验条件：废水含六价铬离子的浓度为60.0 mg/L，pH=2，用量为25mL，反应温度25℃，反应时间4小时，利用实施例1制备得到的生物炭50mg，吸附量可达20.37mg·g-1。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种厨余垃圾作为生物质制备生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将厨余垃圾清洗、烘干并粉碎后过筛，得到垃圾颗粒；
将所述垃圾颗粒在氮气氛围中以15-20℃min-1升温到400-800℃并保温180-200min，再降温60min后冷却至室温得到初级生物炭；将所述初级生物炭研磨后过筛；
将铁源混合物与经过研磨过筛后的所述初级生物炭在蒸馏水中混合后水浴升温且设置转速为300-400r/min；水浴温度达到90-92℃后，加入氨水继续搅拌反应1.5-2h后，冷却至室温，得到复合材料；
将所述复合材料冲洗、干燥后过筛，并利用金属铈对所述复合材料修饰改性即可。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁源混合物为FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O的质量比为1.4-1.6：1；其中所述铁源混合物与所述初级生物炭的质量比为1.2-1.4：1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初级生物炭在所述蒸馏水中的浓度为2.5-3%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述复合材料冲洗为利用蒸馏水将所述复合材料冲洗至pH不再发生变化；所述复合材料干燥为在真空干燥箱中50-60℃下烘干并过80目筛网。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用利用金属铈对所述复合材料修饰方法为：将所述复合材料浸渍到四水合硫酸铈溶液中7-9h；后用去离子水将浸渍后的所述复合材料冲洗后烘干即可。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述四水合硫酸铈溶液的浓度为0.1g·L-1-3.0g·L-1。
7.一种生物炭，其特征在于，所述生物炭为利用如权利要求1-6任一所述的方法制备得到，其用于吸附介质中的六价铬离子。
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