一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法，包括以下步驟：利用農(nóng)業(yè)廢棄物茭白鞘和葉為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過預(yù)處理、酸化、與介質(zhì)水混合、摻雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑、水熱炭化、過濾、干燥及篩分將其轉(zhuǎn)化為水熱炭微球，制備工藝簡單、反應(yīng)條件溫和、不會造成二次污染、同時制備的水熱炭微球具有較窄的尺寸范圍、良好的分散性、高效的吸附性能和低廉的制備成本，應(yīng)用于環(huán)境污染治理，具有“以廢治廢”、經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境友好的特點，有效解決了茭白廢棄物資源化利用的難題，適宜于大規(guī)模生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
【專利說明】
一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法并應(yīng)用于環(huán)境污染治理，屬于 廢棄物綜合利用和環(huán)保領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 茭白是我國南方主要的水生蔬菜，種植面積近7萬公頃，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過30億元， 對農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民的生活水平具有重要保障作用。然而，茭白肉質(zhì)可食部分僅占總 生物量的1/3,采收后茭白上部葉片和下部殘留的葉鞘未得到合理的利用，初步統(tǒng)計，全國 每年產(chǎn)生的茭白鞘和葉的鮮重達(dá)500萬噸左右，大量茭白廢棄物堆積如山，自然腐爛，造成 嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費。如何有效的采取科學(xué)的措施實現(xiàn)茭白廢棄物的資源化利用， 成為了茭白產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的難題。
[0003] 茭白廢棄物所包含的有機(jī)質(zhì)成分較高，達(dá)到60 %以上，并富含氮磷鉀等多種營養(yǎng) 元素，具備制備類似活性炭的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，茭白廢棄物水分偏高，通過高溫煅燒制備裂 解炭所需能耗高，產(chǎn)率偏低，不具備大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價值。水熱炭化是一種以生物 質(zhì)為原料，以水為反應(yīng)介質(zhì)，在較低溫度和壓力條件下經(jīng)水熱反應(yīng)制得富含含氧官能團(tuán)的 炭類固體物質(zhì)，該技術(shù)相比于傳統(tǒng)的高溫炭化合成，具有不受原料水分含量限制，耗能低， 沒有二次污染等特點，已經(jīng)成為了高效的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化及合成的方法。
[0004] 另一方面，納米炭微球具有表面能小、流動性能優(yōu)、生物相容性好以及化學(xué)穩(wěn)定化 高等特點，廣泛應(yīng)用于催化劑載體、吸附劑材料和電極材料等。特別是利用生物質(zhì)水熱炭 化的方法制備納米炭微球，具有生產(chǎn)成本低廉、原料來源廣泛、操作過程簡單等優(yōu)勢。但是， 傳統(tǒng)的水熱炭化過程難以實現(xiàn)炭微球的良好分散性和較窄的尺寸，嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用 和理論研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種茭白廢棄物水熱炭微球的制備方法，利用酸化和摻入導(dǎo)向劑改 良水熱炭化過程，制備出分散性良好和小尺寸的水熱炭微球，應(yīng)用于環(huán)境污染治理，具有 "以廢治廢"、經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境友好的特點，有效解決了茭白廢棄物資源化利用的難題，適宜 于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0006] 所述的一種菱白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將原料茭白廢棄物鞘和葉進(jìn)行預(yù)處理，清除其表面的雜質(zhì)，得干凈廢棄物； 2) 采用磷酸或者乙酸溶液對干凈茭白廢棄物進(jìn)行酸化浸漬處理； 3 )將酸化浸漬后的茭白廢棄物進(jìn)行破碎處理，得1-3厘米茭白廢棄物碎塊； 4)將茭白廢棄物碎塊與去離子水混合，固液混合比例為茭白廢棄物碎塊:去離子水=1 kg:5-15 L，去離子水中摻入結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑為聚丙稀酸鈉或聚苯乙稀磺酸，摻雜 比例為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑:菱白廢棄物=50 5 kg。
[0007] 5)將固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行水熱炭化處理； 6) 水熱反應(yīng)結(jié)束后冷卻至60°C以下，過濾得到含水率為30-50 wt%的產(chǎn)物； 7) 采用乙醇清洗所得產(chǎn)物，然后將產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，干燥后粉碎篩分，得尺寸范圍在 40-100 nm的茭白廢棄物水熱炭微球。
[0008] 所述的一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟2)中：磷酸或者 乙酸溶液的濃度為1-3 mol/L，與茭白廢棄物的浸漬比例為1-2L: lkg，浸漬時間為3-5小 時，浸漬完成后靜置，收集茭白廢棄物，上清液回收再利用。
[0009] 所述的一種菱白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟5)中：水熱炭化 溫度為150-350 °C，反應(yīng)時間為5-12小時。
[0010] 所述的一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟7)中：干燥條件 是置于l〇〇-15(TC的烘箱內(nèi)干燥1-5小時，烘干至產(chǎn)物含水率低于5 wt%以下。
[0011] 所述任一方法所制備的茭白廢棄物水熱炭微球在環(huán)境治理中的應(yīng)用。
[0012] 所述的菱白廢棄物水熱炭微球在土壤改良中的應(yīng)用，其特征在于所述菱白廢棄物 水熱炭微球與土壤的摻雜比例為5-15%。
[0013] 所述的茭白廢棄物水熱炭微球在廢水污染物吸附中的應(yīng)用，其特征在于所述茭白 廢棄物水熱炭微球在廢水的投加量為1-10 g/L，吸附時間為1-5小時。
[0014] 所述的茭白廢棄物水熱炭微球在處理廢水重金屬污染中的應(yīng)用，其特征在于所述 茭白廢棄物水熱炭微球在廢水中的吸附時間為1-5小時。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果： 1.本發(fā)明制備茭白廢棄物水熱炭微球的物質(zhì)基礎(chǔ)是茭白廢棄物鞘和葉，有效地解決了 茭白廢棄物資源化的難題，同時具有制備技術(shù)簡單、成本低廉、條件溫和、不會造成二次污 染等技術(shù)特點，屬于經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)境友好的制備技術(shù)。
[0016] 2.本發(fā)明采用酸化和摻雜導(dǎo)向劑的方法改良水熱炭化技術(shù)，制備出分散性良好、 尺寸小、吸附性能高的茭白廢棄物水熱炭微球，突破了水熱炭微球制備的技術(shù)難題，促進(jìn)了 廢棄生物質(zhì)向炭微球的轉(zhuǎn)化合成，具有良好的理論性和實際應(yīng)用性。
[0017] 3.本發(fā)明制備的茭白廢棄物水熱炭微球應(yīng)用于環(huán)境污染治理，高效去除了廢水的 色度、C0D和重金屬污染，有效的改善土壤理化性質(zhì)，具有經(jīng)濟(jì)高效、"以廢治廢"和可持續(xù)發(fā) 展的特點，適宜于大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明制備的茭白廢棄物水熱炭微球處理印染廢水的效果圖； 圖2是本發(fā)明制備的茭白廢棄物水熱炭微球處理重金屬Pb2+污染廢水的效能圖。
【具體實施方式】
[0019] 為了更好地闡述本項發(fā)明，結(jié)合實施例進(jìn)一步解釋本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi) 容不僅僅局限于下面的實施例。
[0020] 實施例1 將原料茭白廢棄物鞘和葉進(jìn)行預(yù)處理，徹底清除其表面的雜質(zhì)，干凈的茭白廢棄物浸 漬在磷酸溶液進(jìn)行酸化浸漬，磷酸溶液與茭白廢棄物浸泡比例為2 L:1 kg，磷酸溶液濃度 為3 mol/L，浸漬時間為3小時，浸漬完成后收集酸化后的茭白廢棄物，上清液回收再利用， 酸化后的茭白廢棄物破碎至1 -3厘米的碎塊，然后與介質(zhì)去離子水混合，固液混合比例為1 kg: 10 L，然后固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應(yīng)釜進(jìn)行水熱炭化處理，水熱炭化溫度為300 °C，反應(yīng)時間為10小時，水熱反應(yīng)結(jié)束后緩慢冷卻，冷卻至反應(yīng)器內(nèi)溫度降至60 °C以下，真 空栗過濾得到含水率為30-50 wt%的產(chǎn)物。采用乙醇清洗所得產(chǎn)物，然后置于烘箱內(nèi)在溫度 100 °C條件下，烘干5小時，將產(chǎn)物含水率降至5 wt%以下，粉碎并篩分，得到茭白廢棄物水 熱炭。
[0021] 實施例2 將原料茭白廢棄物鞘和葉進(jìn)行預(yù)處理，徹底清除其表面的雜質(zhì)，干凈的茭白廢棄物浸 漬在磷酸溶液中進(jìn)行酸化，磷酸溶液與茭白廢棄物的浸泡比例為2 L:1 kg，磷酸溶液濃度 為3 mol/L，浸漬時間為3小時，浸漬完成后收集酸化后的茭白廢棄物，上清液回收再利用， 將酸化后的茭白廢棄物破碎至1-3厘米的碎塊，與去離子水混合，固液混合比例為1 kg: 10 L，其中，去離子水中摻雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑聚丙烯酸鈉，聚丙烯酸鈉與茭白廢棄物混合比例為50 mg: 1 kg，然后固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應(yīng)釜進(jìn)行水熱炭化處理，水熱炭化溫度為300 °C，反應(yīng)時間為10小時，水熱反應(yīng)結(jié)束后緩慢冷卻，冷卻至反應(yīng)器內(nèi)溫度降至60 °C以下，真 空栗過濾得到含水率為30-50 wt%的產(chǎn)物，接著采用乙醇清洗所得產(chǎn)物，然后置于烘箱內(nèi)在 溫度100 °C條件下，烘干5小時，將產(chǎn)物含水率降至5 wt%以下，粉碎并篩分，得到茭白廢棄 物水熱炭微球1。
[0022] 實施例3 將原料茭白廢棄物鞘和葉進(jìn)行預(yù)處理，徹底清除其表面的雜質(zhì)，干凈的茭白廢棄物浸 漬在磷酸溶液進(jìn)行酸化，磷酸與茭白廢棄物浸泡比例為2 L:1 kg，磷酸溶液濃度為3 mol/ L，浸漬時間為3小時，浸漬完成后收集酸化后的茭白廢棄物，上清液回收再利用，酸化后的 茭白廢棄物破碎至1-3厘米的碎塊，茭白廢棄物碎塊與去離子水混合，固液混合比例為1 kg: 10 L，其中，離子水中摻雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑聚苯乙稀磺酸，結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑聚苯乙稀磺酸與菱白 廢棄物混合比例為50 mg:l kg，然后固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應(yīng)釜進(jìn)行水熱炭化處理， 水熱炭化溫度為300 °C，反應(yīng)時間為10小時，水熱反應(yīng)結(jié)束后緩慢冷卻，冷卻至反應(yīng)器內(nèi)溫 度降至60 °C以下，真空栗過濾得到含水率為30-50 wt%的產(chǎn)物，采用乙醇清洗所得產(chǎn)物，然 后置于烘箱內(nèi)在溫度100 °C條件下，烘干5小時，將產(chǎn)物含水率降至5 wt%以下，粉碎并篩 分，得到茭白廢棄物水熱炭微球2。
[0023]表1茭白廢棄物水熱炭微球理化特征和產(chǎn)率
由表1數(shù)據(jù)可知，通過改良的水熱炭化技術(shù)制備的茭白廢棄物水熱炭微球均具有較高 的產(chǎn)率和比表面積，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的水熱炭化制備的茭白水熱炭的產(chǎn)率(20.8 %)和比表面積 (3.53 m2/g)。特別是尺寸分布，酸化和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的處理導(dǎo)致水熱炭化后的微球直徑在 100 nm以內(nèi)，分散性良好，具有高效的吸附性能和應(yīng)用性。
[0024] 實施例4 實施例1制備的茭白廢棄物水熱炭、實施例2制備的茭白廢棄物水熱炭微球1及實施例3 制備的茭白廢棄物水熱炭微球2應(yīng)用于土壤改良，其與土壤摻雜比例為10 %。
[0025] 表2茭白廢棄物水熱炭微球應(yīng)用于土壤改良的性能
由表2可知，相比于原始土壤，添加制備的茭白廢棄物水熱炭微球有效地降低了土壤容 重，提升了土壤透氣性、持水和保肥能力，同時顯著提高了土壤肥力，淋溶試驗表明氮磷肥 不易流失，茭白廢棄物本身具有豐富的氮、磷、鉀元素，可以補充流失的土壤肥力。特別是， 茭白廢棄物水熱炭微球因其小尺度的特性對土壤改良的效果顯著高于茭白廢棄物水熱炭， 更適宜于土壤改良的實際應(yīng)用。
[0026] 實施例5 實施例1制備的茭白廢棄物水熱炭、實施例2制備的茭白廢棄物水熱炭微球1及實施例3 制備的茭白廢棄物水熱炭微球2處理印染廢水生化處理出水，該廢水水質(zhì)為:C0D濃度為165 mg/L左右，色度125，pH值7左右，屬于難降解工業(yè)廢水，未達(dá)到國家城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo) 準(zhǔn)。
[0027] 由圖1可知，當(dāng)茭白水熱炭微球投加量為8 g/L，吸附處理時間為2小時，印染廢水 C0D和色度去除率分別達(dá)到40和60 %左右(水熱炭微球1和2平均值），遠(yuǎn)高于茭白廢棄物水 熱炭(去除率分別為9.5和17.5%)，處理后廢水C0D和色度達(dá)到了國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染 物排放一級標(biāo)準(zhǔn)的B標(biāo)準(zhǔn)。證實制備的水熱炭微球?qū)U水污染物具有高效的吸附性能且成 本低廉，適宜工業(yè)化推廣與應(yīng)用。
[0028] 實施例6 實施例1制備的茭白廢棄物水熱炭、實施例2制備的茭白廢棄物水熱炭微球1及實施例3 制備的茭白廢棄物水熱炭微球2應(yīng)用于重金屬Pb2+污染的廢水治理，Pb2+初始濃度均為100 mg/L〇
[0029] 由圖2可知，茭白廢棄物水熱炭微球具有良好的重金屬Pb2+吸附能力，屬于快速吸 附，120分鐘左右即基本達(dá)到其吸附飽和，飽和吸附量分別為48.5 mg/g (水熱炭微球2)， 44.5 mg/g (水熱炭微球1)和4.7 mg/g (水熱炭），該吸附規(guī)律與制備的水熱炭微球理化特 征相一致，表明改良水熱炭化技術(shù)促進(jìn)了高比表面積和小尺寸分布的水熱炭微球的形成， 提高了其吸附重金屬污染的性能，有利于其在環(huán)境污染治理方面的應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1. 一種菱白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將原料茭白廢棄物鞘和葉進(jìn)行預(yù)處理，清除其表面的雜質(zhì)，得干凈茭白廢棄物； 2) 采用磷酸或者乙酸溶液對干凈茭白廢棄物進(jìn)行酸化浸漬處理； 3) 將酸化浸漬后的茭白廢棄物進(jìn)行破碎處理，得1-3厘米茭白廢棄物碎塊； 4) 將茭白廢棄物碎塊與去離子水混合，固液混合比例為茭白廢棄物碎塊:去離子水=1 kg:5-15 L，去離子水中摻入結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑為聚丙稀酸鈉或聚苯乙稀磺酸，摻入 比例為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑:菱白廢棄物=50 5 kg; 5) 將固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行水熱炭化處理； 6) 水熱反應(yīng)結(jié)束后冷卻至60°C以下，過濾得到含水率為30-50 wt%的產(chǎn)物； 7) 采用乙醇清洗所得產(chǎn)物，然后將產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，干燥后粉碎篩分，得尺寸范圍在 40-100 nm的茭白廢棄物水熱炭微球。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種茭白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟2) 中：磷酸或者乙酸溶液的濃度為1-3 mol/L，與茭白廢棄物的浸漬比例為1-2L: lkg，浸漬時 間為3-5小時，浸漬完成后靜置，收集茭白廢棄物，上清液回收再利用。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種菱白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟5 ) 中：水熱炭化溫度為150-350 °C，反應(yīng)時間為5-12小時。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種菱白廢棄物制備水熱炭微球的方法，其特征在于步驟7 ) 中：干燥條件是置于100_150°C的烘箱內(nèi)干燥1-5小時，烘至產(chǎn)物含水率低于5 wt%以下。5. -種根據(jù)權(quán)利要求1-4所述任一方法所制備的茭白廢棄物水熱炭微球在環(huán)境治理中 的應(yīng)用。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的茭白廢棄物水熱炭微球在土壤改良中的應(yīng)用，其特征在于所 述茭白廢棄物水熱炭微球與土壤的摻雜比例為5-15%。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的茭白廢棄物水熱炭微球在廢水有機(jī)污染物吸附中的應(yīng)用，其 特征在于所述茭白廢棄物水熱生物炭在廢水的投加量為1-10 g/L，吸附時間為1-5小時。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的茭白廢棄物水熱炭微球在處理廢水重金屬污染中的應(yīng)用，其 特征在于所述茭白廢棄物水熱炭微球在廢水中的吸附時間為1-5小時。
【文檔編號】C01B31/02GK106044745SQ201610385936
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】莊海峰, 劉萬鵬, 單勝道, 邢雅娟, 張敏, 謝作甫
【申請人】浙江科技學(xué)院