RU2779460C1 - Method for obtaining biochar from sewage sludge and sawdust for soil recovery from herbicides - Google Patents
Method for obtaining biochar from sewage sludge and sawdust for soil recovery from herbicides Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779460C1 RU2779460C1 RU2022104930A RU2022104930A RU2779460C1 RU 2779460 C1 RU2779460 C1 RU 2779460C1 RU 2022104930 A RU2022104930 A RU 2022104930A RU 2022104930 A RU2022104930 A RU 2022104930A RU 2779460 C1 RU2779460 C1 RU 2779460C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biochar
- sawdust
- carbonization
- sewage sludge
- temperature
- Prior art date
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 230000002363 herbicidal Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 239000010801 sewage sludge Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000011084 recovery Methods 0.000 title claims description 4
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 8
- 239000012467 final product Substances 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000011068 load Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 13
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 11
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 6
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 6
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 244000305267 Quercus macrolepis Species 0.000 description 5
- 235000016976 Quercus macrolepis Nutrition 0.000 description 5
- 241000208818 Helianthus Species 0.000 description 4
- 235000003222 Helianthus annuus Nutrition 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001784 detoxification Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 3
- 240000002791 Brassica napus Species 0.000 description 2
- 235000004977 Brassica sinapistrum Nutrition 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- KARVSHNNUWMXFO-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane;hydrate Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O KARVSHNNUWMXFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052901 montmorillonite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000447 pesticide residue Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 2
- 239000004108 vegetable carbon Substances 0.000 description 2
- 235000012712 vegetable carbon Nutrition 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 239000002916 wood waste Substances 0.000 description 2
- MXWJVTOOROXGIU-UHFFFAOYSA-N Atrazine Chemical compound CCNC1=NC(Cl)=NC(NC(C)C)=N1 MXWJVTOOROXGIU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000219495 Betulaceae Species 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L Calcium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000019749 Dry matter Nutrition 0.000 description 1
- 239000005562 Glyphosate Substances 0.000 description 1
- XDDAORKBJWWYJS-UHFFFAOYSA-O Glyphosate Chemical group OC(=O)C[NH2+]CP(O)(O)=O XDDAORKBJWWYJS-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 231100000674 Phytotoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 241000209504 Poaceae Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000003905 agrochemical Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000000513 bioprotective Effects 0.000 description 1
- 235000018185 birch Nutrition 0.000 description 1
- 235000018212 birch Nutrition 0.000 description 1
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 229960000539 carbamide Drugs 0.000 description 1
- 235000013877 carbamide Nutrition 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 229910052570 clay Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035558 fertility Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 229940097068 glyphosate Drugs 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000003864 humus Substances 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 235000021049 nutrient content Nutrition 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000005067 remediation Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic Effects 0.000 description 1
- 231100000167 toxic agent Toxicity 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к областям экологии и природовосстановления, в частности, к способам получения биоугля (биочара) из природных органических субстратов для восстановления почв от гербицидов.The invention relates to the fields of ecology and nature restoration, in particular, to methods for obtaining biochar (biochar) from natural organic substrates for soil restoration from herbicides.
Повышение продуктивности растений и урожайности сельскохозяйственных культур невозможно без применения гербицидов. В настоящее время Россия является наиболее быстрорастущим рынком средств защиты растений. Но при этом растут токсическая нагрузка на почву и риск загрязнения сельскохозяйственной продукции. В последние годы во многих регионах России отмечаются случаи, когда вред от применения гербицидов превышает пользу. Сложившаяся тенденция перехода на ресурсосберегающие технологии почвы, с целью уменьшения гербицидной нагрузки, заставляет сельхозпроизводителей искать безопасные и эффективные способы восстановления почвы после агрессивного воздействия агрохимикатов.Increasing plant productivity and crop yields is impossible without the use of herbicides. Currently, Russia is the fastest growing market for crop protection products. But at the same time, the toxic load on the soil and the risk of contamination of agricultural products are growing. In recent years, in many regions of Russia, there have been cases when the harm from the use of herbicides exceeds the benefits. The current trend of switching to resource-saving soil technologies, in order to reduce the herbicide load, makes farmers look for safe and effective ways to restore the soil after the aggressive impact of agrochemicals.
Одним из таких способов детоксикации загрязненных гербицидами почв считается их обработка углеродными сорбентами.One of such methods of detoxification of herbicide-contaminated soils is their treatment with carbon sorbents.
В значительной степени эффективность восстановления загрязненных территорий и почвенно-экологическая эффективность ремедиации зависят от биопротекторной активности углеродных сорбентов.To a large extent, the efficiency of the restoration of contaminated territories and the soil-ecological efficiency of remediation depend on the bioprotective activity of carbon sorbents.
Для увеличения количества органического вещества, которое будет переходить в гумус и восстанавливать плодородие почвы, лучше использовать не быстродействующие органические удобрения, а «медленноиграющие», к которым относится биочар. Благодаря активным ионам, содержащимся в биочарах, углерод не испаряется во внешнюю среду, а остается в почве на длительный срок, легко впитываясь корнями растений. Таким образом, количество парниковых газов в атмосфере сокращается, и вместе с этим уменьшается угроза парникового эффекта и глобального потепления (ЛесПромИнформ. 2020. № 7 (153). Режим доступа: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=5817).To increase the amount of organic matter that will turn into humus and restore soil fertility, it is better to use not fast-acting organic fertilizers, but “slow-playing” ones, which include biochar. Thanks to the active ions contained in biochars, carbon does not evaporate into the external environment, but remains in the soil for a long time, being easily absorbed by plant roots. Thus, the amount of greenhouse gases in the atmosphere is reduced, and at the same time the threat of the greenhouse effect and global warming is reduced (LesPromInform. 2020. No. 7 (153). Access mode: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=5817 ).
Высокая пористость биочара позволяет использовать его при очистке промышленных сточных вод, а также почвы, с целью выведения токсичных соединений из них. Установлено, что внесение биочара в почву улучшает ее структуру, повышает влагоемкость. Пористая природа биочара эффективно удерживает воду и водорастворимые питательные вещества, активизирует микробиологические процессы.The high porosity of biochar allows it to be used in the treatment of industrial wastewater, as well as soil, in order to remove toxic compounds from them. It has been established that the introduction of biochar into the soil improves its structure and increases its moisture capacity. The porous nature of biochar effectively retains water and water-soluble nutrients and activates microbiological processes.
В связи с реализацией задач Технологической платформы «Биоиндустрия и биоресурсы - Биотех 2030», требующей разрабатывать биотехнологии с низким уровнем отрицательного воздействия на окружающую среду, в качестве сырья для получения биочара перспективно использование древесных отходов и осадков сточных вод.In connection with the implementation of the tasks of the Technological Platform "Bioindustry and Bioresources - Biotech 2030", which requires the development of biotechnologies with a low level of negative impact on the environment, the use of wood waste and sewage sludge is promising as a raw material for obtaining biochar.
В России в результате деятельности предприятий лесопромышленного комплекса ежегодно образуется около 68-74 млн. м3 древесных отходов, и лишь 48-58% из них перерабатываются.In Russia, as a result of the activities of the enterprises of the timber industry complex, about 68-74 million m 3 of wood waste is generated annually, and only 48-58% of them are recycled.
В то же время ежегодно в России после очистки сточных вод образуется, в среднем, 3-3,5 млн. т осадков. Проблема их утилизации по-прежнему не решена. Поэтому, как правило, после очистки стоков, осадки направляются на иловые карты, где они накапливаются годами, ухудшая экологическую обстановку в городах. At the same time, annually in Russia, after wastewater treatment, an average of 3-3.5 million tons of precipitation is formed. The problem of their disposal is still not solved. Therefore, as a rule, after sewage treatment, precipitation is sent to silt ponds, where it accumulates for years, worsening the ecological situation in cities.
Известен способ получения активного угля для защиты сельскохозяйственных культур от остатков пестицидов в почве (Пат. РФ № 2167102; МПК C01B 31/08; опубл. 20.05.2001), включающий смешение измельченного каменноугольного сырья со связующим, гранулирование смеси, подсушку гранул, их карбонизацию со скоростью подъема температуры 10-19°С/мин. до 550-650°С, а затем со скоростью подъема температуры 4-8°С/мин. до 800-850°С, и активацию. Способ позволяет повысить эффективность активного угля по детоксикации почв от остатков пестицидов на 12-22%.A known method for producing active carbon to protect crops from pesticide residues in the soil (Pat. RF No. 2167102; IPC C01B 31/08; publ. 05/20/2001), including mixing crushed coal raw materials with a binder, granulating the mixture, drying the granules, their carbonization with a temperature rise rate of 10-19°C/min. up to 550-650°C, and then with a temperature rise rate of 4-8°C/min. up to 800-850°C, and activation. The method allows to increase the efficiency of activated carbon for soil detoxification from pesticide residues by 12-22%.
Недостатками данного способа являются сложность и многостадийность технологического процесса, что приводит к удорожанию конечного продукта, а также низкая эффективность восстановления почв от пестицидов.The disadvantages of this method are the complexity and multi-stage process, which increases the cost of the final product, as well as the low efficiency of soil recovery from pesticides.
Известен способ получения активного угля из соломы зерновых культур (Пат. РФ № 2596252; МПК С01В 31/08; опубл. 10.09.2016), включающий измельчение исходной соломы на куски размером 1-10 см, их карбонизацию, активацию при температуре 820-850°С водяным паром при расходе (3-5):1 и охлаждение, причем карбонизацию осуществляют в среде водяного пара в две стадии: сначала при температуре 450-500°С, а затем - при температуре 700-750°С, с выдержкой после каждой стадии карбонизации в течение 70-90 мин.A known method for producing active carbon from the straw of cereal crops (Pat. RF No. 2596252; IPC S01V 31/08; publ. 09/10/2016), including grinding the original straw into pieces 1-10 cm in size, their carbonization, activation at a temperature of 820-850 °C with water vapor at a flow rate of (3-5):1 and cooling, and carbonization is carried out in an environment of water vapor in two stages: first at a temperature of 450-500°C, and then at a temperature of 700-750°C, with exposure after each stage of carbonization for 70-90 min.
Недостатками данного способа являются низкая адсорбционная активность полученного активного угля по детоксикации почв сельскохозяйственных угодий от остатков гербицида атразин (майазин), сложность и многостадийность технологического процесса.The disadvantages of this method are the low adsorption activity of the obtained active carbon for the detoxification of soils of agricultural land from the residues of the herbicide atrazine (mayazin), the complexity and multi-stage process.
Известен способ получения углеродного адсорбента из лузги подсолнечной (Пат. РФ № 2395336; МПК B01J 20/20http://www.freepatent.ru/MPK/B/B01/B01J/B01J20/B01J2020, B01J 20/24; опубл. 27.07.2010), включающий химическое удаление балластных веществ, промывку водой и сушку при температуре 100-120°C. Удаление балластных веществ осуществляют в две стадии. На первой (химической) стадии лузгу подсолнечную в течение 0,5-1,0 ч. обрабатывают при температуре 90-100°C суспензией, содержащей следующие компоненты, мас.%: гидрооксид кальция - 6,2-8,5; карбамид - 5,3-7,5; вода - 84,0-88,0. Соотношение суспензии и лузги подсолнечной - 1:(0,06-0,10) мас.ч. Перед второй стадией осуществляют промывку и сушку, причем промытую лузгу подсолнечную сушат в токе азота в течение 0,3-0,5 ч. На второй стадии термически карбонизируют обработанную лузгу подсолнечную, предварительно нагревая в токе азота при атмосферном давлении со скоростью 10-15°C/мин. до температуры 300-400°C, с последующей выдержкой в течение 0,25-0,5 ч.A known method for producing a carbon adsorbent from sunflower husks (Pat. RF No. 2395336; IPC B01J 20/20http://www.freepatent.ru/MPK/B/B01/B01J/B01J20/B01J2020, B01J 20/24; publ. 27.07. 2010), including chemical removal of ballast substances, washing with water and drying at a temperature of 100-120°C. The removal of ballast substances is carried out in two stages. At the first (chemical) stage, sunflower husks are treated for 0.5-1.0 hours at a temperature of 90-100°C with a suspension containing the following components, wt.%: calcium hydroxide - 6.2-8.5; carbamide - 5.3-7.5; water - 84.0-88.0. The ratio of suspension and sunflower husk - 1:(0.06-0.10) wt.h. Before the second stage, washing and drying are carried out, and the washed sunflower husk is dried in a stream of nitrogen for 0.3-0.5 hours. C/min to a temperature of 300-400°C, followed by exposure for 0.25-0.5 hours.
Недостатками данного способа являются использование химических веществ, а также многостадийность и повышенная общая длительность процесса, что в целом повышает стоимость конечного продукта.The disadvantages of this method are the use of chemicals, as well as multi-stage and increased overall duration of the process, which generally increases the cost of the final product.
Известен способ получения углеродного адсорбента (Пат. РФ № 2436625; МПК B01J 20/20, C01B 31/08; опубл. 20.12.2011), включающий карбонизацию в инертной среде измельченного до фракции 2-3 мм растительного сырья (отходов древесины березы - опилок, стружки) в интервале температур 300-800°С и выдержку при конечной температуре, последующую активацию при температуре 800°С в течение 60 мин. Карбонизацию проводят со скоростью нагрева 20°С/мин. с выдержкой при конечной температуре в течение 30 мин., а активацию осуществляют в атмосфере аргона в присутствии твердого гидроксида калия, взятого в массовом соотношении угля и щелочи, равном 1:3, при подъеме температуры со скоростью 10°С/мин. Затем продукт промывают раствором кислоты, водой при температуре 50°С до нейтральной среды и сушат.A known method for producing a carbon adsorbent (Pat. RF No. 2436625; IPC B01J 20/20, C01B 31/08; publ. 20.12.2011), including carbonization in an inert environment of plant raw materials crushed to a fraction of 2-3 mm (waste birch wood - sawdust , shavings) in the temperature range of 300-800°C and exposure at the final temperature, subsequent activation at a temperature of 800°C for 60 minutes. The carbonization is carried out at a heating rate of 20°C/min. with exposure at the final temperature for 30 minutes, and activation is carried out in an argon atmosphere in the presence of solid potassium hydroxide, taken in a mass ratio of coal and alkali, equal to 1:3, while raising the temperature at a rate of 10 ° C / min. Then the product is washed with an acid solution, water at a temperature of 50°C until neutral and dried.
Недостатками данного способа являются использование дополнительных химических веществ (аргон, гидроксид калия, кислота) и многостадийность процесса, что приводит к его удорожанию и повышению себестоимости конечного продукта.The disadvantages of this method are the use of additional chemicals (argon, potassium hydroxide, acid) and the multi-stage process, which leads to its rise in price and increase in the cost of the final product.
Известен способ получения композиционного сорбента на основе минерального и растительного углеродсодержащего сырья (Пат. РФ № 2597400; МПК B01J 20/12, B01J 20/24, B01J 20/30; опубл. 10.09.2016), включающий карбонизацию сырья при температуре 450-700°С и активацию кислородсодержащими агентами при температуре 750-850°С. В качестве минеральной основы используют увлажненную до состояния высококонцентрированной суспензии монтмориллонитсодержащую глину с содержанием монтмориллонита не менее 20 масс.%, а в качестве растительной углеродсодержащей основы используют отходы продуктов шелушения зерновых и технических культур: лузгу или шелуху крупностью 2-5 мм, смешанные в массовом соотношении по сухому веществу 1:(1-2,5), при этом активацию проводят водяным паром в течение 2-5 ч.A known method for producing a composite sorbent based on mineral and vegetable carbon-containing raw materials (Pat. RF No. 2597400; IPC B01J 20/12, B01J 20/24, B01J 20/30; publ. 09/10/2016), including carbonization of raw materials at a temperature of 450-700 °C and activation with oxygen-containing agents at a temperature of 750-850°C. As a mineral base, montmorillonite-containing clay moistened to the state of a highly concentrated suspension with a content of montmorillonite of at least 20 wt.% is used, and as a vegetable carbon-containing base, waste products of peeling grain and industrial crops are used: husks or husks with a particle size of 2-5 mm, mixed in a mass ratio on dry matter 1:(1-2.5), while the activation is carried out with water vapor for 2-5 hours.
Недостатками данного способа являются длительность процесса из-за стадии активации кислородсодержащими агентами и высокая доля растительных компонентов в исходной смеси, снижающая зольность конечного продукта.The disadvantages of this method are the duration of the process due to the stage of activation by oxygen-containing agents and the high proportion of plant components in the initial mixture, which reduces the ash content of the final product.
Известен способ получения древесноугольного сорбента (Пат. РФ № 2531933; МПК B01J 20/20, C01B 31/08, C01B 31/10; опубл. 27.10.2014), включающий карбонизацию углеродсодержащего сырья - древесных опилок.A known method for producing charcoal sorbent (Pat. RF No. 2531933; IPC B01J 20/20, C01B 31/08, C01B 31/10; publ. 27.10.2014 ), including carbonization of carbon-containing raw materials - sawdust.
Исходная влажность древесных опилок - 10-30%. Карбонизацию проводят при температуре 450-600°С в течение 20-30 мин. Полученный карбонизат активируют парогазовой смесью при температуре 650-800°С из расчета 3-12 кг пара на 1 кг карбонизата, после чего карбонизат охлаждают. Охлаждение осуществляют в тонком слое, причем проводят дополнительную активацию - окисление кислородом воздуха, до температуры 20-30°С со скоростью снижения температуры 10°С/мин. Принят за прототип.The initial moisture content of sawdust is 10-30%. Carbonization is carried out at a temperature of 450-600°C for 20-30 minutes. The resulting carbonizate is activated with a gas-vapor mixture at a temperature of 650-800°C at the rate of 3-12 kg of steam per 1 kg of carbonizate, after which the carbonizate is cooled. Cooling is carried out in a thin layer, and additional activation is carried out - oxidation with atmospheric oxygen, to a temperature of 20-30°C at a temperature decrease rate of 10°C/min. Taken as a prototype.
Недостатками данного способа являются многостадийность получения древесноугольного сорбента, низкий выход конечного продукта и его низкая сорбционная способность.The disadvantages of this method are the multi-stage production of charcoal sorbent, low yield of the final product and its low sorption capacity.
Следует также отметить, что биоугли только растительного происхождения (древесная биомасса, травы) имеют низкое содержание питательных веществ, которое усугубляется пиролитическими потерями азота, низкой начальной зольностью исходного сырья и составом полученной золы. Это значительно снижает эффективность их сорбционных свойств в восстановлении почв.It should also be noted that biochars of only plant origin (woody biomass, grasses) have a low nutrient content, which is exacerbated by pyrolytic losses of nitrogen, low initial ash content of the feedstock, and the composition of the resulting ash. This significantly reduces the effectiveness of their sorption properties in soil restoration.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качественного состава биочара за счет использования в исходной смеси осадков сточных вод, а также упрощение и удешевление технологии его получения.The technical problem to be solved by the invention is to improve the qualitative composition of biochar by using sewage sludge in the initial mixture, as well as to simplify and reduce the cost of its production technology.
Это достигается тем, что в способе получения биочара из осадков сточных вод и древесных опилок для восстановления почв от гербицидов, включающем карбонизацию углеродсодержащего сырья - древесных опилок, согласно изобретению, древесные опилки предварительно смешивают с осадками сточных вод, при соотношении осадков сточных вод и древесных опилок 3:1, при этом исходная влажность осадков сточных вод составляет 50-55%, а исходная влажность древесных опилок - 8-10%, после чего смесь нагревают до температуры 500-700°С со скоростью 15-20°С/мин. и проводят карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.This is achieved by the fact that in the method for obtaining biochar from sewage sludge and sawdust to restore soil from herbicides, including the carbonization of carbon-containing raw materials - sawdust, according to the invention, sawdust is pre-mixed with sewage sludge, at a ratio of sewage sludge and sawdust 3:1, while the initial moisture content of sewage sludge is 50-55%, and the initial moisture content of sawdust is 8-10%, after which the mixture is heated to a temperature of 500-700°C at a rate of 15-20°C/min. and carbonization is carried out without oxygen access for 3 hours.
Низкий уровень влажности исходного сырья (50-55% для осадков сточных вод и 8-10% для древесных опилок) обеспечивает увеличение содержания углерода в биочаре.The low moisture content of the feedstock (50-55% for sewage sludge and 8-10% for sawdust) increases the carbon content of the biochar.
Соблюдение указанных режимов карбонизации позволяет получить продукт с насыпной плотностью 380-400 г/дм3, что способствует развитию микропор в биочаре (80% составляют гранулы размером 0,3-0,8 мм).Compliance with these modes of carbonization makes it possible to obtain a product with a bulk density of 380-400 g/dm 3 , which contributes to the development of micropores in the biochar (80% are 0.3-0.8 mm granules).
Проведение карбонизации при температуре ниже 500°С снижает удельную площадь поверхности биочара, что отрицательно влияет на его пористую структуру, влагоемкость (Ученые записки казанского университета. Серия: естественные науки. 2021. Т. 163. С. 221-237). Повышение температуры карбонизации выше 700°С разрушает пористую структуру биочара и снижает массу конечного продукта.Carrying out carbonization at a temperature below 500°C reduces the specific surface area of the biochar, which negatively affects its porous structure, moisture capacity (Scientific notes of the Kazan University. Series: natural sciences. 2021. V. 163. S. 221-237). Increasing the carbonization temperature above 700°C destroys the porous structure of the biochar and reduces the mass of the final product.
Соблюдение подъема температуры со скоростью 15-20°C/мин. при нагреве смеси увеличивает скорость разложения исходных продуктов и приводит к интенсификации выделения летучих продуктов, что стимулирует увеличение радиуса пор, а также снижает механическую прочность биоугля, в результате чего растет водопоглащение.Compliance with temperature rise at a rate of 15-20°C/min. when the mixture is heated, it increases the rate of decomposition of the initial products and leads to an intensification of the release of volatile products, which stimulates an increase in the pore radius, and also reduces the mechanical strength of biochar, resulting in an increase in water absorption.
Способ получения биочара из осадков сточных вод и древесных опилок для восстановления почв от гербицидов осуществляют следующим образом.The method of obtaining biochar from sewage sludge and sawdust to restore soil from herbicides is as follows.
Осадки сточных вод влажностью 50-55% смешивают с древесными опилками, например, опилками древесины дуба, влажностью 8-10% в соотношении 3:1, нагревают смесь до температуры 500-700°С со скоростью 15-20°С/мин. и проводят карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.Sewage sludge with a moisture content of 50-55% is mixed with sawdust, for example, sawdust of oak wood, with a moisture content of 8-10% in a ratio of 3:1, the mixture is heated to a temperature of 500-700°C at a rate of 15-20°C/min. and carbonization is carried out without oxygen access for 3 hours.
С целью определения эффективности заявляемого способа получения биочара из осадков сточных вод и древесных опилок для восстановления почв от гербицидов проводились испытания по следующей методике.In order to determine the effectiveness of the proposed method for obtaining biochar from sewage sludge and sawdust to restore soil from herbicides, tests were carried out according to the following method.
В пластиковые контейнеры помещали 0,5 кг образца почвы и вносили водную суспензию гербицида «Агрокилер» в рекомендуемой дозе (действующее вещество - глифосат). Биочар вносили в дозе 1 т/га. Обработанные образцы почвы помещали в термостат и выдерживали при температуре 26°С.0.5 kg of a soil sample was placed in plastic containers and an aqueous suspension of the Agrokiller herbicide was added at the recommended dose (the active ingredient is glyphosate). Biochar was applied at a dose of 1 t/ha. The treated soil samples were placed in a thermostat and kept at a temperature of 26°C.
Через 60 суток осуществляли посев тест-растений ярового рапса (с. «Ратник») в бумажные контейнеры диаметром 80 мм и вместимостью 600 см3. Условия выращивания тест-растений: температура воздуха днем - 25°C, ночью - 20°С, полив почвы - до 60% от ПВ (полной влагоемкости).After 60 days, test plants of spring rapeseed (village "Ratnik") were sown in paper containers with a diameter of 80 mm and a capacity of 600 cm 3 . Conditions for growing test plants: air temperature during the day - 25°C, at night - 20°C, watering the soil - up to 60% of the PV (full moisture capacity).
Сравнительную фитотоксичность отобранных образцов почвы, обусловленную последействием гербицида, оценивали через 28 суток после посева по изменению высоты и массы тест-растений. Эффективность накопления зеленой массы растений (Эф), загрязненных гербицидом, определяли по формулеThe comparative phytotoxicity of the selected soil samples, due to the aftereffect of the herbicide, was assessed 28 days after sowing by changing the height and weight of the test plants. The efficiency of accumulation of green mass of plants (E f ) contaminated with the herbicide was determined by the formula
Эф = m × 100 / m0 ,E f \u003d m × 100 / m 0 ,
где m - зеленая масса тест-растения; where m is the green mass of the test plant;
m0 - зеленая масса контрольного образца.m 0 - green mass of the control sample.
Способ получения биочара из осадков сточных вод и древесных опилок для восстановления почв от гербицидов поясняется следующими примерами.The method of obtaining biochar from sewage sludge and sawdust for soil recovery from herbicides is illustrated by the following examples.
Пример 1.Example 1
Осадки сточных вод влажностью 50-55% смешивали с древесными опилками дуба влажностью 8-10% в соотношении 3:1, нагревали смесь до температуры 500°С со скоростью 15°С/мин. и проводили карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.Sewage sludge with a moisture content of 50-55% was mixed with oak sawdust with a moisture content of 8-10% in a ratio of 3:1, the mixture was heated to a temperature of 500°C at a rate of 15°C/min. and carbonization was carried out without oxygen access for 3 h.
Эффективность накопления зеленой массы растений Эф составила 94,7%.The efficiency of accumulation of green mass of plants E f was 94.7%.
Пример 2.Example 2
Осадки сточных вод влажностью 50-55% смешивали с древесными опилками дуба влажностью 8-10% в соотношении 3:1, нагревали смесь до температуры 500°С со скоростью 20°С/мин. и проводили карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.Sewage sludge with a moisture content of 50-55% was mixed with oak sawdust with a moisture content of 8-10% in a ratio of 3:1, the mixture was heated to a temperature of 500°C at a rate of 20°C/min. and carbonization was carried out without oxygen access for 3 h.
Эффективность накопления зеленой массы растений Эф составила 95,1%.The efficiency of accumulation of green mass of plants E f was 95.1%.
Пример 3.Example 3
Осадки сточных вод влажностью 50-55% смешивали с древесными опилками дуба влажностью 8-10% в соотношении 3:1, нагревали смесь до температуры 700°С со скоростью 15°С/мин. и проводили карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.Sewage sludge with a moisture content of 50-55% was mixed with oak sawdust with a moisture content of 8-10% in a ratio of 3:1, the mixture was heated to a temperature of 700°C at a rate of 15°C/min. and carbonization was carried out without oxygen access for 3 h.
Эффективность накопления зеленой массы растений Эф составила 96,3%.The efficiency of accumulation of green mass of plants E f was 96.3%.
Пример 4.Example 4
Осадки сточных вод влажностью 50-55% смешивали с древесными опилками дуба влажностью 8-10% в соотношении 3:1, нагревали смесь до температуры 700°С со скоростью 20°С/мин. и проводили карбонизацию без доступа кислорода в течение 3 ч.Sewage sludge with a moisture content of 50-55% was mixed with oak sawdust with a moisture content of 8-10% in a ratio of 3:1, the mixture was heated to a temperature of 700°C at a rate of 20°C/min. and carbonization was carried out without oxygen access for 3 h.
Эффективность накопления зеленой массы растений Эф составила 98,6%.The efficiency of accumulation of green mass of plants E f was 98.6%.
В таблице 1 представлена сравнительная характеристика биочара, получаемого по заявляемому способу, и древесноугольного сорбента, получаемого по способу, принятому за прототип (Пат. РФ № 2531933).Table 1 shows the comparative characteristics of the biochar obtained by the claimed method, and the charcoal sorbent obtained by the method adopted as a prototype (Pat. RF No. 2531933).
Таблица 1Table 1
Сравнительная характеристика биочара, получаемого по заявляемому способу, и древесноугольного сорбента, получаемого по способу, принятому за прототип (Пат. РФ № 2531933)Comparative characteristics of biochar obtained by the claimed method, and charcoal sorbent obtained by the method adopted as a prototype (Pat. RF No. 2531933)
(скорость нагрева - 15°С/мин.,
карбонизация - при 500°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 15°C/min.,
carbonization - at 500°С)
(скорость нагрева - 20°С/мин.,
карбонизация - при 500°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 20°C/min.,
carbonization - at 500°С)
(скорость нагрева - 15°С/мин.,
карбонизация - при 700°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 15°C/min.,
carbonization - at 700°С)
(скорость нагрева - 20°С/мин.,
карбонизация - при 700°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 20°C/min.,
carbonization - at 700°С)
(карбонизация - при 470°С,
активация - при 740°С)Charcoal sorbent (prototype)
(carbonization - at 470°С,
activation - at 740°С)
(карбонизация - при 500°С,
активация - при 800°С)Charcoal sorbent (prototype)
(carbonization - at 500°С,
activation - at 800°С)
Экспериментальные данные, представленные в таблице 1, показывают, что на массу конечного продукта и его адсорбционную способность по йоду в большей степени влияет температура карбонизации. Так, при увеличении температуры с 500 до 700°С при скорости нагрева 15°С/мин. конечная масса биочара возрастала на 4,8%, при скорости нагрева 20°С/мин. - на 4,4%. Увеличение скорости нагрева при одной и той же температуре карбонизации повышало массу конечного продукта лишь на 1-1,5%. Такая же зависимость наблюдалась и при оценке адсорбционной способности биочара. Увеличение температуры карбонизации при одинаковой скорости нагрева повышало адсорбционную способность биочара на 9,6-10,6%, повышение скорости нагрева при одинаковой температуре карбонизации - лишь на 2,9-3,9%. При этом следует отметить, что при оценке адсорбционной способности и массы конечного продукта прототипа (Пат. РФ № 2531933) такой зависимости установлено не было. При температуре карбонизации 470°С масса конечного продукта была на 4% выше, чем при температуре 500°С, а адсорбционная способность, напротив, на 7,7-10,8% была выше при более высокой температуре. Это объясняется тем, что развитие пористой структуры в прототипе осуществляется на стадии активации.The experimental data presented in Table 1 show that the mass of the final product and its adsorption capacity for iodine are largely affected by the carbonization temperature. So, with an increase in temperature from 500 to 700°C at a heating rate of 15°C/min. the final biochar weight increased by 4.8% at a heating rate of 20°C/min. - by 4.4%. An increase in the heating rate at the same carbonization temperature increased the mass of the final product by only 1-1.5%. The same dependence was also observed when assessing the adsorption capacity of biochar. An increase in the carbonization temperature at the same heating rate increased the adsorption capacity of the biochar by 9.6-10.6%, an increase in the heating rate at the same carbonization temperature only by 2.9-3.9%. It should be noted that when assessing the adsorption capacity and mass of the final product of the prototype (US Pat. RF No. 2531933), such a relationship was not established. At a carbonization temperature of 470°C, the mass of the final product was 4% higher than at a temperature of 500°C, and the adsorption capacity, on the contrary, was 7.7-10.8% higher at a higher temperature. This is due to the fact that the development of the porous structure in the prototype is carried out at the stage of activation.
Как показали проведенные исследования, внесение полученного биочара в почву позволило увеличить массу тест-растения - ярового рапса (с. «Ратник»), при загрязнении почвы гербицидом «Агрокилер», до 98,6% по отношению к контролю и почти в 2 раза по отношению к растениям, выращенным на почвах, обработанных гербицидом без внесения биочара (табл. 2).As studies have shown, the introduction of the resulting biochar into the soil made it possible to increase the weight of the test plant - spring rapeseed (village "Warrior"), when the soil was contaminated with the herbicide "Agrokiller", up to 98.6% in relation to the control and almost 2 times in relation to plants grown on soils treated with herbicide without the introduction of biochar (Table 2).
Таким образом, заявляемый способ получения биочара для восстановления почв от гербицидов позволяет рационально использовать отходы деревоперерабатывающей промышленности и осадки сточных вод, создать конечный продукт с богатым минеральным составом по упрощенной технологии и, как следствие, с меньшими затратами на его создание, а применение полученного биочара - снизить гербицидную нагрузку на почву.Thus, the claimed method for obtaining biochar for soil restoration from herbicides makes it possible to rationally use waste from the wood processing industry and sewage sludge, create an end product with a rich mineral composition using a simplified technology and, as a result, with lower costs for its creation, and the use of the resulting biochar - reduce the herbicide load on the soil.
Таблица 2table 2
Влияние биосорбентов на восстановление почвы после гербицидного воздействияInfluence of biosorbents on soil restoration after herbicide treatment
(скорость нагрева - 15°С/мин.,
карбонизация - при 500°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 15°C/min.,
carbonization - at 500°С)
(скорость нагрева - 20°С/мин.,
карбонизация - при 500°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 20°C/min.,
carbonization - at 500°С)
(скорость нагрева - 15°С/мин.,
карбонизация - при 700°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 15°C/min.,
carbonization - at 700°С)
(скорость нагрева - 20°С/мин.,
карбонизация - при 700°С)Biochar according to the claimed method
(heating rate - 20°C/min.,
carbonization - at 700°С)
(карбонизация - при 470°С,
активация - при 740°С)Charcoal sorbent (prototype)
(carbonization - at 470°С,
activation - at 740°С)
(карбонизация - при 500°С,
активация - при 800°С)Charcoal sorbent (prototype)
(carbonization - at 500°С,
activation - at 800°С)
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2779460C1 true RU2779460C1 (en) | 2022-09-07 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1020371A1 (en) * | 1980-09-29 | 1983-05-30 | Ленинградский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Им.Ленсовета | Method for preparing activated carbon |
| SU1351876A1 (en) * | 1985-10-23 | 1987-11-15 | Калининский политехнический институт | Method of producing active coal |
| RU2036140C1 (en) * | 1992-03-24 | 1995-05-27 | Павел Александрович Зеленовский | Process for manufacture of activated carbon |
| JP2000072427A (en) * | 1998-09-03 | 2000-03-07 | Kawasaki City | Production of active carbon by sludge |
| CN111620728A (en) * | 2020-06-15 | 2020-09-04 | 上海市园林科学规划研究院 | Buffer type compost leavening agent and using method thereof |
| DE102019115711A1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 4 Innovation GmbH | Process and system for processing sewage sludge, fermentation residues and / or liquid manure with the production of hydrogen |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1020371A1 (en) * | 1980-09-29 | 1983-05-30 | Ленинградский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Им.Ленсовета | Method for preparing activated carbon |
| SU1351876A1 (en) * | 1985-10-23 | 1987-11-15 | Калининский политехнический институт | Method of producing active coal |
| RU2036140C1 (en) * | 1992-03-24 | 1995-05-27 | Павел Александрович Зеленовский | Process for manufacture of activated carbon |
| JP2000072427A (en) * | 1998-09-03 | 2000-03-07 | Kawasaki City | Production of active carbon by sludge |
| DE102019115711A1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 4 Innovation GmbH | Process and system for processing sewage sludge, fermentation residues and / or liquid manure with the production of hydrogen |
| CN111620728A (en) * | 2020-06-15 | 2020-09-04 | 上海市园林科学规划研究院 | Buffer type compost leavening agent and using method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108251118B (en) | Biochar, soil heavy metal stabilizing agent and preparation method thereof | |
| Mansoor et al. | Biochar as a tool for effective management of drought and heavy metal toxicity | |
| Hussain et al. | Biochar for crop production: potential benefits and risks | |
| Guo et al. | The role of biochar in organic waste composting and soil improvement: A review | |
| Qian et al. | Biochar-compost as a new option for soil improvement: Application in various problem soils | |
| Gerçel et al. | Adsorption of lead (II) ions from aqueous solutions by activated carbon prepared from biomass plant material of Euphorbia rigida | |
| Das et al. | Biochar: A sustainable approach for improving soil health and environment | |
| Tan et al. | A perspective on the interaction between biochar and soil microbes: A way to regain soil eminence | |
| CN109796005B (en) | Application of cyclodextrin metal organic framework carbon material in water treatment and fertilizer slow release | |
| CN109530423A (en) | Mixed biologic charcoal and preparation method thereof for heavy-metal contaminated soil reparation | |
| Abbas et al. | Alteration of plant physiology by the application of biochar for remediation of organic pollutants | |
| CN108689776A (en) | The method of charcoal base manure, preparation method and rehabilitating soil | |
| CN105498692B (en) | The preparation and application of biological carbon agricultural chemicals sorbing material based on maize straw | |
| Agarwal et al. | Biochar-based fertilizers and their applications in plant growth promotion and protection | |
| Udayana et al. | The multipurpose utilization of coconut by-products in agriculture: prospects and concerns | |
| Banu et al. | Biochar: A black carbon for sustainable agriculture | |
| CN110229671A (en) | A kind of preparation method and application of soil conditioner | |
| RU2779460C1 (en) | Method for obtaining biochar from sewage sludge and sawdust for soil recovery from herbicides | |
| Rajakumar et al. | Biochar for sustainable agriculture–a review | |
| Poonam et al. | Natural and artificial soil amendments for the efficient phytoremediation of contaminated soil | |
| Murtaza et al. | Effects of biotic and abiotic aging techniques on physiochemical and molecular characteristics of biochar and their impacts on environment and agriculture: A Review | |
| Yu et al. | A composite amendment benefits rice (Oryza sativa L.) safety and production in cadmium-contaminated soils by unique characteristics after oxidation modification | |
| CN113632614B (en) | Preparation and application methods of compound heavy metal contaminated soil remediation material | |
| Lin et al. | Inhibition of continuous cropping obstacle of celery by chemically modified biochar: An efficient approach to decrease bioavailability of phenolic allelochemicals | |
| Brar et al. | Nanobiochar: soil and plant interactions and their implications for sustainable agriculture |