一種利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境保護和生物材料領(lǐng)域，具體涉及一種利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于環(huán)境污染造成的大型淺水湖泊藍藻水華頻繁暴發(fā)已引起普遍關(guān)注。藍藻水華暴發(fā)時，水面被厚厚的一層藍綠色湖靛覆蓋，隨著風向迀移至岸邊堆積，腐爛后散發(fā)出難聞的氣味。為應(yīng)急處理藍藻水華而開發(fā)一系列新型技術(shù)，如人工打撈，機械打撈，直接過濾，絮凝或混凝沉淀，氣浮等等，應(yīng)用這些技術(shù)處理藍藻水華的同時帶來另外一個問題，如何處置收集得到的大量的含水量高、污染性強的藻渣。2007年至今，僅從太湖清除藍藻的總重量高達140.5萬噸(濕重)。由于藻渣含水量高(90%以上)，一般藻渣體積為處理水量的0.04%左右。藍藻利用胞外分泌物聚集成團造成脫水困難，體積龐大，運輸、放置和處理難度高，同時藻渣在腐敗過程中釋放有毒有害或難聞氣體以及釋放大量細胞內(nèi)藍藻毒素，藻渣中氮磷元素含量高達63mg/g，9mg/g，處理不當會隨徑流回流到水源中，造成二次污染。因此，藻渣或收集得到的高濃度的藻水混合物應(yīng)加以適當?shù)奶幚砘蛱幹谩?br>[0003]目前，對藻渣或高濃度藻水或藻泥的處理主要包括以下幾種措施:制作肥料或飼料，提取活性物質(zhì)，生產(chǎn)沼氣或者制備生物柴油等。此外，國內(nèi)在藻渣發(fā)電等方面做出探索性研究，但也尚未形成產(chǎn)業(yè)化。然而，將藻渣/藻泥用于化肥、農(nóng)藥、環(huán)保等領(lǐng)域的研究尚少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種能高效處置大量藻渣的同時又能利用藻渣，變廢為寶;減少藻渣及藻毒素帶來的危害，同時也是高效環(huán)保的利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題的:一種利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法，包括以下步驟:
[0006](I)將藻渣/藻泥與水混合置入反應(yīng)釜中，在壓強小于6MPa、160°C?220°C加熱反應(yīng)2?20小時，自然冷卻到室溫；
[0007](2)將步驟(I)中的水熱產(chǎn)物進行過濾或者離心分離，得到的固體進行洗滌；
[0008](3)將步驟(2)中的洗滌后的產(chǎn)物在50 0C?60 V進行干燥處理，得生物活性炭。
[0009]優(yōu)選地，所述藻渣/藻泥是通過人工打撈、機械打撈、直接過濾、絮凝、混凝沉淀或氣浮的方法得到的水體藻類暴發(fā)產(chǎn)生的高濃度藻水混合物或藻泥。
[0010]優(yōu)選地，藻渣/藻泥的含水量為80%?95%，藻渣/藻泥與水的質(zhì)量體積比為1: (O
?3) ο
[0011 ]優(yōu)選地，藻渣/藻泥與水的質(zhì)量體積比為3:1或2:1或1:1或1: 2。
[0012]優(yōu)選地，所述藻渣/藻泥為通過過濾濃縮后得到的產(chǎn)物。
[0013]優(yōu)選地，將藻類培養(yǎng)液400ml在10000轉(zhuǎn)的條件下離心1min，棄上清收集沉淀，用40ml去離子水重懸，得產(chǎn)物。
[0014]優(yōu)選地，所述藻渣/藻泥為已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物;所述已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物與水的質(zhì)量體積比為5%?200%。
[0015]優(yōu)選地，所述已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物與水的質(zhì)量體積比為30%?80 %。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟(2)中的得到的固體依次使用無水乙醇和去離子水洗滌。
[0017]本發(fā)明的原理:藻類物質(zhì)在水熱條件下催化裂解，在低溫高壓(密閉容器中水蒸氣高壓)或者適當催化的條件下藻類生物質(zhì)經(jīng)脫水、脫羧和縮合等化學反應(yīng)發(fā)生炭化。
[0018]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0019](I)本發(fā)明制備過程簡單，環(huán)境友好，產(chǎn)物性能穩(wěn)定，制備出的活性炭能應(yīng)用于化肥和農(nóng)藥控釋，土壤改良，空氣凈化等領(lǐng)域;制備過程中能將藻毒素高效分解去除，減輕藻毒素的危害;所用材料藻渣/藻泥或干燥的藻渣及藻類煉制得到的副產(chǎn)品數(shù)量龐大，來源廣泛、易于收集。
[0020](2)本發(fā)明直接利用高含水量的藻渣/藻泥或者干燥藻渣為原料高效制備生物炭/活性炭，由于原料表面結(jié)構(gòu)的特殊性，制備出表面含氧、含氮官能團，結(jié)構(gòu)豐富的生物活性炭，部分保留藻細胞表面結(jié)構(gòu)特點;避免藻渣前期脫水耗能，藻渣在高溫裂解或自然分解過程中有毒有害氣體和溫室氣體二氧化碳的釋放，徹底分解難以處置的藍藻毒素。
[0021](3)該方法利用藻類生物質(zhì)為材料水熱炭化制備生物炭/活性炭，在水熱條件下藻類生物質(zhì)裂解脫水生產(chǎn)活性炭，制備過程基本無需添加劑，處理設(shè)備簡單，操作方便，應(yīng)用規(guī)模可調(diào)節(jié)性強，避免了化學法制備活性炭操作繁瑣，污染大的缺點。
[0022](4)該方法能變廢為寶，既能處置難以處理含水量高，體積龐大的藻渣/藻泥及其所含有毒素，又能制備出環(huán)境友好的炭材料。同時制備的炭材料還能利用于廢水處理，空氣凈化，土壤修復，化肥農(nóng)藥控釋等領(lǐng)域，達到以廢治廢的目標。
【附圖說明】
[0023]圖1為使用本發(fā)明實施例1的方法制備的生物活性炭的掃描電鏡圖。
[0024]圖2為使用本發(fā)明實施例2的方法制備的生物活性炭的掃描電鏡圖。
[0025]圖3為本發(fā)明實施例2中藻渣/藻泥與水混合的比例對生物活性炭產(chǎn)率的關(guān)系圖。
[0026]圖4為本發(fā)明實施例3中干藻粉與水混合的比例對生物活性炭產(chǎn)率的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明水熱反應(yīng)采用的反應(yīng)釜指現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)使用的水熱反應(yīng)釜或?qū)嶒炇矣玫男⌒透邏悍磻?yīng)釜。
[0028]實施例1
[0029]利用實驗室培養(yǎng)藍藻藻泥制備生物活性炭
[0030]包括以下步驟:
[0031 ] (I)離心收集藻泥；藻類培養(yǎng)液400ml (藻類密度:I?5 X 17個藻細胞每毫升)，10000轉(zhuǎn)離心10分鐘，棄上清收集沉淀，用40ml去離子水重懸。
[0032](2)將藻泥(含水量約90%)置入50ml水熱反應(yīng)釜中(壓強小于6MPa)于電熱烘箱內(nèi)160 °C?220 °C恒溫炭化2?20小時，自然冷卻到室溫。
[0033](3)將水熱反應(yīng)釜中混合液離心分離(9000轉(zhuǎn)，10分鐘)，收集沉淀依次用去離子水、無水乙醇清洗三次，然后在50?60°C下烘干，即得圖1所示的生物活性炭。
[0034]實施例2
[0035]直接利用藻渣/藻泥制備生物活性炭
[0036]包括以下步驟:
[0037](I)打撈藍藻暴發(fā)時期的藍藻藻渣/藻泥。
[0038](2)直接將1g藻渣/藻泥(含水量為90.5%)以質(zhì)量體積比分別為1:0;3:1;2:1;1:1 ； 1:2; 1:3置入到50ml水熱反應(yīng)釜(壓強小于6MPa)中于電熱烘箱內(nèi)160°C?220°C恒溫反應(yīng)2?20小時，自然冷卻到室溫。
[0039](3)將水熱反應(yīng)釜中混合液離心分離(9000轉(zhuǎn)，10分鐘)，收集沉淀依次用去離子水、無水乙醇清洗三次，然后在50?60°C下烘干，即得如圖2所示的生物活性炭。
[0040]如圖3所示，隨著向藻渣/藻泥中加水量的增加，生物活性炭的轉(zhuǎn)化率逐漸降低(從14.9 %下降到8.7 %)，提示藻渣/藻泥無需加水直接置入反應(yīng)器進行反應(yīng)即可達到生物活性炭的較高產(chǎn)率。
[0041 ] 實施例3
[0042]利用自然干燥的藍藻水華藻渣制備生物活性炭
[0043]包括以下步驟:
[0044](I)藍藻水華暴發(fā)時人工打撈自然干燥的藻渣，經(jīng)粉碎成干藻粉。
[0045](2)將2g干藻粉與水以質(zhì)量體積比從5%?15%混合;將6g干藻粉與水以質(zhì)量體積比從20%?200%混合。置于50ml水熱反應(yīng)釜(壓強小于6MPa)中電熱烘箱內(nèi)160°C?220°C攝氏度恒溫炭反應(yīng)2?20小時，自然冷卻到室溫。
[0046](3)將水熱反應(yīng)釜中混合液離心分離(9000轉(zhuǎn)，10分鐘)，收集沉淀依次用去離子水、無水乙醇清洗三次，然后在50?60°C下烘干即得生物活性炭。
[0047]如圖4所示，隨著向干藻粉中加水量的增加，生物活性炭的轉(zhuǎn)化率逐漸升高，繼續(xù)增加水量，生物活性炭的轉(zhuǎn)化率又逐漸降低。
[0048]生物活性炭產(chǎn)率最優(yōu)的干藻粉與水的混合比例為30%?80%。
[0049]以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)將藻渣/藻泥與水混合置入反應(yīng)釜中，在壓強小于6MPa、160°C?220°C加熱反應(yīng)2?20小時，自然冷卻到室溫；(2)將步驟(I)中的水熱產(chǎn)物進行過濾或者離心分離，得到的固體進行洗滌； (3)將步驟(2)中的洗滌后的產(chǎn)物在50 0C?60 0C進行干燥處理，得生物活性炭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥是通過人工打撈、機械打撈、直接過濾、絮凝、混凝沉淀或氣浮的方法得到的水體藻類暴發(fā)產(chǎn)生的高濃度藻水混合物或藻泥。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，藻渣/藻泥的含水量為80%?95%，藻渣/藻泥與水的質(zhì)量體積比為1: (O?3)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，藻渣/藻泥與水的質(zhì)量體積比為3:1或2:1或1:1或1: 2。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥為通過過濾濃縮后得到的產(chǎn)物。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，將藻類培養(yǎng)液400ml在10000轉(zhuǎn)的條件下離心lOmin，棄上清收集沉淀，用40ml去離子水重懸，得產(chǎn)物。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，所述藻渣/藻泥為已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物;所述已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物與水的質(zhì)量體積比為5%?200%。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，所述已干燥的藻渣或藻類生物柴油煉制過程中得到的固體副產(chǎn)物與水的質(zhì)量體積比為30%?80%。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水熱炭化制備生物活性炭的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的得到的固體依次使用無水乙醇和去離子水洗滌。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用藻渣/藻泥的水熱炭化制備生物活性炭的方法，包括以下步驟：(1)將藻渣/藻泥與水混合置入反應(yīng)釜中，在壓強小于6MPa、160℃～220℃加熱反應(yīng)2～20小時，自然冷卻到室溫；(2)將步驟(1)中的水熱產(chǎn)物進行過濾或者離心分離，得到的固體進行洗滌；(3)將步驟(2)中的洗滌后的產(chǎn)物在50℃～60℃進行干燥處理，得生物活性炭。本發(fā)明具有能高效處置大量藻渣的同時又能利用藻渣，變廢為寶；減少藻渣及藻毒素帶來的危害，同時也具有高效環(huán)保的優(yōu)點。
【IPC分類】C01B31/08
【公開號】CN105668564
【申請?zhí)枴緾N201610032072
【發(fā)明人】張宏, 黃青, 余增亮
【申請人】中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月18日