CN116037066A - 一种沼渣基改性生物炭及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种沼渣基改性生物炭及其制备方法和应用，涉及生物质再利用技术领域。本发明以禽畜粪沼渣作为原料，利用碱溶液对所述沼渣进行改性，得到碱改性沼渣生物炭。本发明制备得到的改性沼渣生物炭可促进猪场粪水厌氧消化过程，显著强化产沼气效果，提高发酵液的稳定程度，促进有机酸的分解与转化，使厌氧消化效率得以提升。
Description
技术领域
本发明涉及生物质再利用技术领域，具体涉及一种沼渣基改性生物炭及其制备方法和应用。
背景技术
近年来畜牧业的持续发展，因畜禽粪便超负荷导致的环境污染问题逐渐加剧，畜禽废弃物的妥善处置引起越来越多的关注。畜禽粪便富含蛋白质、脂肪类、纤维素及半纤维素等成分，以及大量的氮、磷、钾和多种矿物元素，是一种天然资源，经过一定处理后可以加以利用，被认为在生产可再生能源上具有极大可能性。因此，开发畜禽粪便无害化处理和资源化利用技术对可持续发展至关重要。
厌氧消化技术是处理畜禽粪便的一种经济高效的方式，由于畜禽粪便是典型的有机固体废物，容易被微生物获取，厌氧消化技术不仅避免了粪便污染，而且获得了沼气清洁能源，在消化高含量的氮和磷等营养物质的同时实现了废物回收。因此，厌氧消化技术被认为在处理畜禽粪便上具有巨大潜力。然而传统的厌氧消化过程受到水解速度慢，甲烷生成效率低，高浓度氨氮抑制等因素的限制，导致能量回收效率较低。在实际应用中，保持活跃的产甲烷性能十分关键。
生物炭是一类拥有较大比表面积和良好孔隙结构的吸附性富碳材料，价格低廉，是常用碳载体材料之一。由于其独特的理化性质，常被用于厌氧消化过程，且已多次被证实可以改善体系性能，提高甲烷含量。生物炭复合材料不仅同时综合多种不同的物理化学特性，往往还具有更高的化学稳定性。此外，制备生物炭的原材料大多为农林业废弃物，能有效提高废物的资源化利用。同时，沼渣是厌氧消化后的副产物，其资源化和高值化利用可以带来明显的环境效益和社会效益，是目前重要的研究方向之一。因此，利用厌氧消化产生的沼渣制备生物炭，并对其进行改性，形成用于厌氧消化中改善体系性能的改性生物炭，形成循环产业，对于实现畜禽粪便此类复杂底物的高效处理和农业废弃物的资源化利用等方面都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沼渣基改性生物炭，可促进猪场粪水厌氧消化过程，显著强化产沼气效果，提高发酵液的稳定程度，促进有机酸的分解与转化，使厌氧消化效率得以提升。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种沼渣基改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：使用碱溶液浸泡禽畜粪沼渣颗粒后烘干，再置于高温管式炉中炭化即可；所述炭化条件为以8～15℃/min的升温速率，升温至1000～1200℃恒温炭化1-3h。
优选地，所述炭化时以氮气作为保护气体，所述气体的流量为600～800mL/min。
优选地，所述碱溶液为8～15mol/L氢氧化钠溶液或8～15mol/L氢氧化钾溶液中的一种。
优选地，所述烘干条件为于80℃～120℃条件下烘干1～2h。
优选地，所述禽畜粪沼渣颗粒是将禽畜粪沼渣于90～100℃条件下烘干，粉碎过80～120目筛即得。
优选地，所述禽畜粪沼渣为猪粪沼渣、羊粪沼渣和牛粪沼渣中的一种或几种。
本发明提供了一种所述制备方法得到的沼渣基改性生物炭。
本发明提供了一种所述沼渣基改性生物炭在禽畜粪厌氧发酵中的应用。
优选地，所述禽畜粪为猪粪、牛粪或羊粪中的一种。
优选地，所述沼渣基改性生物炭的添加量为15～20g/L。
本发明对沼渣生物炭进行碱改性，可以去除生物炭表面酸性基团，增加生物炭表面有关吸附性能的官能团数量，使表面非极性增强，可以提高生物炭的比表面积和疏水性。本发明制备得到的碱改性沼渣生物炭与禽畜类粪便发生厌氧消化反应，在高负荷极易引起酸积累的情况下，能够增强反应体系的稳定性，体系的甲烷含量达到60％以上，累积产气量提高30％以上，厌氧消化效果达到理想情况。
具体实施方式
本发明提供了一种沼渣基改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：使用碱溶液浸泡禽畜粪沼渣颗粒后烘干，再置于高温管式炉中炭化即可；所述炭化条件优选为以8～15℃/min的升温速率，升温至1000～1200℃恒温炭化1-3h；更优选地，所述炭化条件优选为以10～12℃/min的升温速率，升温至1050～1100℃恒温炭化2h。生物炭的酸碱度与炭化温度有关，本发明的炭化温度可使炭化灰分中的矿质元素向氧化态和碳酸盐的转化更加彻底，这些氧化态矿物质与碳酸盐依附于生物炭的表面，在水溶液呈碱性。同时，经改性后的生物炭孔结构丰度且比表面积较大，通常情况下，更大的比表面积和总孔容是提高生物炭性能的必备条件。
在本发明中，所述炭化时以氮气作为保护气体，所述气体的流量优选为600～800mL/min。更优选地，所述气体的流量为650～750mL/min。
在本发明中，所述碱溶液优选为8～15mol/L氢氧化钠溶液或8～15mol/L氢氧化钾溶液中的一种。更优选地，所述碱溶液为10～12mol/L氢氧化钠溶液或10～12mol/L氢氧化钾溶液中的一种。
在本发明中，所述烘干条件优选为于80℃～120℃条件下烘干1～2h。更优选地，所述烘干条件为于90℃～100℃条件下烘干1～2h。
在本发明中，所述禽畜粪沼渣颗粒是将禽畜粪沼渣优选于90～100℃条件下烘干，粉碎过80～120目筛即得。更优选地，所述烘干温度为95～98℃，粉碎过100目筛。本发明经禽畜粪沼渣制备得到沼渣颗粒，使其更易进行碱改性，提高生物炭性能。
在本发明中，所述禽畜粪沼渣为猪粪沼渣、羊粪沼渣和牛粪沼渣中的一种或几种。
本发明提供了一种所述制备方法得到的沼渣基改性生物炭。本发明制备得到的改性沼渣生物炭的比表面积和疏水性均有所提高。
本发明提供了一种所述沼渣基改性生物炭在禽畜粪厌氧发酵中的应用。
在本发明中，所述禽畜粪为猪粪、牛粪或羊粪中的一种。
在本发明中，所述沼渣基改性生物炭的添加量优选为15～20g/L。更优选地，所述添加量为16～18g/L。本发明中添加沼渣基改性生物炭可以促进畜禽类粪便的厌氧消化过程，当添加量为15～20g/L时，对沼气产量和甲烷产量均有显著提升。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种沼渣基改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：将猪粪沼渣在90℃条件下烘干，粉碎过100目筛后得到猪粪沼渣颗粒；使用10mol/L氢氧化钾溶液浸泡猪粪沼渣颗粒12h后于100℃条件下烘干2h；将烘干后的生物质于高温管式炉中，以气体流量为700mL/min通入氮气，以15℃/min的升温速率，升温至1000℃恒温炭化2h后停止加热，在氮气保护下冷却至室温，干燥过筛后即得沼渣基改性生物炭。
实施例2
一种沼渣基改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：将牛粪沼渣在80℃条件下烘干，粉碎过80目筛后得到猪粪沼渣颗粒；使用10mol/L氢氧化钠溶液浸泡牛粪沼渣颗粒12h后于120℃条件下烘干1h；将烘干后的生物质于高温管式炉中，以气体流量为600mL/min通入氮气，以12℃/min的升温速率，升温至1000℃恒温炭化3h后停止加热，在氮气保护下冷却至室温，干燥过筛后即得沼渣基改性生物炭。
实施例3
一种沼渣基改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：将羊粪沼渣在90℃条件下烘干，粉碎过120目筛后得到猪粪沼渣颗粒；使用15mol/L氢氧化钾溶液浸泡猪粪沼渣颗粒12h后于100℃条件下烘干2h；将烘干后的生物质于高温管式炉中，以气体流量为800mL/min通入氮气，以15℃/min的升温速率，升温至1200℃恒温炭化1h后停止加热，在氮气保护下冷却至室温，干燥过筛后即得沼渣基改性生物炭。
对比例1
与实施例1不同的是，不使用碱溶液浸泡猪粪沼渣颗粒，其余步骤不变。
对比例2
与实施例1不同的是，炭化条件为以5℃/min的升温速率，升温至500℃恒温炭化2h后停止加热，其余步骤不变。
表1不同制备条件下沼渣生物炭基本性质
根据表1可以看出，本发明实施例1～3制备得到的沼渣基改性生物炭具有更大的比表面积和总孔容，而更大的比表面积和总孔容是提高生物炭性能的必备条件。
实施例4
采用体积为1L容器作为厌氧反应器，有效发酵体积为800mL。每个发酵反应器中添加猪场粪水600mL和厌氧污泥200mL，实验设有分别添加20g/L(基于发酵体积计算)的实施例1、对比例1和对比例2的沼渣基改性生物炭三个处理组和两组空白对照。将发酵物装容器后均匀混合，通入氮气确保无氧环境后立即密封，于36℃下恒温发酵。每组设3个平行组，发酵过程中在0、7、28和40天进行取样。其中，空白对照1为仅含有厌氧污泥200mL；空白对照2为仅含有猪场粪水600mL和厌氧污泥200mL，不添加实施例1的沼渣基改性生物炭
表2猪粪水厌氧发酵40天后各指标含量测定
根据表2可以看出，本发明实施例1沼渣改性生物炭有效促进猪粪水的厌氧消化代谢，提高总产气量和甲烷量；厌氧发酵体系中的甲烷浓度也在60％以上。由于仅添加厌氧污泥的空白组未监测到产气，故排除其影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种沼渣基改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：使用碱溶液浸泡禽畜粪沼渣颗粒后烘干，再置于高温管式炉中炭化即可；所述炭化条件为以8～15℃/min的升温速率，升温至1000～1200℃恒温炭化1-3h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述炭化时以氮气作为保护气体，所述气体的流量为600～800mL/min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为8～15mol/L氢氧化钠溶液或8～15mol/L氢氧化钾溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘干条件为80℃～120℃条件下烘干1～2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述禽畜粪沼渣颗粒是将禽畜粪沼渣于90～100℃条件下烘干，粉碎过80～120目筛即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述禽畜粪沼渣为猪粪沼渣、羊粪沼渣和牛粪沼渣中的一种或几种。
7.权利要求1～6任意一项所述制备方法得到的沼渣基改性生物炭。
8.权利要求7所述沼渣基改性生物炭在禽畜粪厌氧发酵中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述禽畜粪为猪粪、牛粪或羊粪中的一种。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述沼渣基改性生物炭的添加量为15～20g/L。
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2023
- 2023-03-14 CN CN202310245912.4A patent/CN116037066A/zh active Pending
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