一种生物炭快速脱毒制备方法

本发明涉及环境工程材料，尤其是涉及一种生物炭快速脱毒制备方法。

背景技术：

1、由于生物炭的孔隙结构、ph缓冲能力、导电能力等特性，将其投加到厌氧消化过程中可以有效解决甲烷产率低、启动周期长以及过程不稳定等问题；应用于堆肥处理过程可加速有机物降解和形成腐殖质；还可以作为土壤改良剂使用，促进植物增长和固碳。但在生物炭热解制备过程中，原料种类、热解温度、热解气氛、热解时间等因素会影响生物炭的制备，导致有毒有害物质产生，并残留在生物炭表面。这些有毒有害物质除了在生物炭应用过程中对环境和人类健康产生风险，在应用时也会对生物反应的功能微生物产生毒害作用，影响生物炭应用的效能，甚至起到抑制效果。

2、针对上述生物炭表面有毒有害物质的影响问题，通过物理或化学的方式对生物炭进行处理，以减少生物炭表面的有毒有害物质，进而提高生物炭应用过程的安全性和功能稳定性，使生物炭发挥其应有的应用功能。目前，生物炭脱毒的主要方式为水洗、化学药剂洗涤处理(如公开号为cn107970751a、cn107970751a的中国发明专利)。水洗方法简单，只需将生物炭置于水中浸泡并轻轻搅拌，但耗水量大、耗时长、处理通量低，且可去除的有毒有害物质有限。化学药剂洗涤方法一般通过酸性溶液洗涤生物炭，相比水洗方法可去除更多的有毒有害物质，但同样耗水量大且洗涤后的化学药剂需要额外处理。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种生物炭快速脱毒制备方法，本发明制备方法简单，相比传统水洗、化学药剂洗涤方法可以显著减少耗水量，同时可有效且快速去除生物炭表面有毒有害物质，减低生物炭应用过程中环境和人类健康风险，使其更适合作为环境兼容的友好材料应用，本发明可以极大减少生物炭脱毒处理的耗水量，且能够去除更多生物炭表面的有毒有害物质，不产生二次环境污染；本发明涉及的设备简单、易操作，可根据需求采用相应规模的蒸提设备；提供了大批量、低成本、环境友好的生物炭脱毒解决方案。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明利用挥发性有机酸对原始生物炭进行蒸提处理，利用高温挥发性有机酸溶液蒸汽渗透到生物炭表面，使生物炭表面的有毒有害物质发生脱附和挥发，获得脱毒生物炭。

4、本发明提供一种生物炭快速脱毒制备方法，包括以下步骤：

5、s1：生物炭的准备：将热解烧制好的生物炭破碎筛分至目标粒径范围；

6、s2：生物炭的蒸提：利用挥发性有机酸溶液在蒸提装置中对s1获取的生物炭进行蒸提处理；优选的，采用浓度为0.1～0.3mol/l的挥发性有机酸溶液，在温度100℃～120℃和常压下，对生物炭进行20～40分钟的蒸提；优选的，s2中的蒸提装置包括：生物炭处理平台、挥发性有机酸溶液加热组件、蒸汽冷凝回流组件，挥发性有机酸溶液加热组件设于生物炭处理平台下方；蒸汽冷凝回流组件将冷凝后的挥发性有机酸溶液回流至挥发性有机酸溶液加热组件中，冷凝后的挥发性有机酸溶液回流至挥发性有机酸溶液加热组件，可保证在蒸提过程中无需为防止烧干额外添加挥发性有机酸溶液，提高挥发性有机酸溶液利用率。

7、s3：脱毒生物炭的获取：将s2得到的生物炭烘干后获得脱毒生物炭，优选的，处理后的生物炭在105度下烘干至恒重，即可获得烘干后的脱毒生物炭。若后续用于厌氧消化等高含水率应用场景，则无需烘干处理。蒸提处理后的脱毒生物炭可以根据后续应用场景，直接使用，或者烘干后保存。

8、进一步的，生物炭处理平台为不锈钢筛网或尼龙网。

9、进一步的，蒸汽冷凝回流组件产生的热能能够回收利用。

10、进一步的，挥发性有机酸溶液为乙酸、丙酸、丁酸中的一种或多种。

11、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

12、(1)本发明利用挥发性有机酸溶液的流动蒸汽，促进了生物炭表面的有毒有害物质发生脱附和挥发。同时，生物炭表面部分有毒有害物质在酸性环境中可能被转化成易挥发物质，随着蒸汽脱离生物炭表面。因此，采用挥发性有机酸溶液对生物炭进行蒸提可有效去除其表面的有毒有害物质，实现生物炭的脱毒处理。且相比传统的水洗和水蒸气蒸提，甚至是比采用甲醇等高浸出率的化学药剂洗涤相比，能够去除更多生物炭表面的有毒有害物质，提高了生物炭的环境友好性和安全性。

13、(2)本发明综合脱毒生物炭的浸出总有机碳和生物炭主要物化参数(浸出ph值、比表面积、接触角等)，确定了经济合理的挥发性有机酸浓度范围、蒸提设备操作温度和压强以及蒸提时间。

14、(3)发明人已有研究表明，酸性厌氧消化培养液浸提生物炭后，浸提液对厌氧消化过程的功能微生物有一定的抑制作用。本发明采用挥发性有机酸溶液对生物炭进行蒸提脱毒处理，获得了在酸性条件下有毒有害物质更少的生物炭，使其更适合作为环境兼容的友好材料。而且挥发性有机酸在厌氧环境或好氧环境均是微生物有用的碳源，很容易被进一步生物降解，因此炭材料表面残留的挥发性有机酸对环境也非常友好。

15、(4)本发明采用的设备简单、易操作，常规的工业蒸馏器、汽提器等设备都可以简单调整后都适用于本发明提出的生物炭快速脱毒制备。

16、(5)本发明利用挥发性有机酸蒸汽对生物炭进行脱毒处理，克服了传统水洗、化学药剂洗涤方法耗水量大、药剂用量大、用时长的缺点，提供了大批量、低成本、环境友好的生物炭脱毒解决方案。

技术特征：

1.一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，s2中的所述蒸提装置包括：生物炭处理平台、挥发性有机酸溶液加热组件、蒸汽冷凝回流组件，所述挥发性有机酸溶液加热组件设于所述生物炭处理平台下方；所述蒸汽冷凝回流组件将冷凝后的挥发性有机酸溶液回流至所述挥发性有机酸溶液加热组件中。

3.根据权利要求2所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，所述生物炭处理平台为不锈钢筛网或尼龙网。

4.根据权利要求2所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，所述蒸汽冷凝回流组件为包括冷凝器、冷却水单元、回流管道，蒸汽从加热过程中产生后，经过所述冷凝器冷却成为液体，然后通过所述回流管道回流到加热组件中，所述冷却水单元用于提供冷却介质，冷凝蒸汽。

5.根据权利要求2所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，所述挥发性有机酸溶液加热组件包括加热器、控制器和加热容器，所述加热器用于提供热量，所述控制器用于监测和调节加热过程，所述加热容器用于放置生物炭。

6.根据权利要求2所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，所述蒸汽冷凝回流组件为包括冷凝器、冷却水单元、回流管道，蒸汽从加热过程中产生后，经过所述冷凝器冷却成为液体，然后通过所述回流管道回流到加热组件中，所述冷却水单元用于提供冷却介质，用于冷凝蒸汽。

7.根据权利要求1所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，s2中，蒸提处理使用的挥发性有机酸溶液浓度范围为0.1～0.3mol/l。

8.根据权利要求1所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，s2中，所述蒸提设备的操作温度为100℃～120℃，操作压强为常压。

9.根据权利要求1所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，s2中，所述挥发性有机酸溶液为乙酸、丙酸、丁酸中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种生物炭快速脱毒制备方法，其特征在于，s2中，蒸提处理生物炭的时间为20～40分钟。

技术总结
本发明涉及一种生物炭快速脱毒制备方法，包括以下步骤：S1：生物炭的准备：将热解烧制好的生物炭破碎筛分至目标粒径范围；S2：生物炭的蒸提：利用挥发性有机酸溶液在蒸提装置中对S1获取的生物炭进行蒸提处理；S3：脱毒生物炭的获取：将S2得到的生物炭烘干后获得脱毒生物炭。与现有技术相比，本发明可以极大减少生物炭脱毒处理的耗水量，且能够去除更多生物炭表面的有毒有害物质，不产生二次环境污染；本发明涉及的设备简单、易操作，可根据需求采用相应规模的蒸提设备；提供了大批量、低成本、环境友好的生物炭脱毒解决方案。

技术研发人员：吕凡,郭靖,何品晶,章骅
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17