利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用有机废弃物同步制备5‑羟甲基糠醛(5‑HMF)及水热炭的装置及方法，目的在于生产高价值物质——5‑HMF以及水热炭，同时考虑资源的有效节约以及环境污染问题。该工艺步骤如下。将有机废弃物进行预处理，最终固液分离得到液体物质和固态残渣。液体部分进入第一套微波反应器中，无需添加外源水，进行一定条件微波水热处理，得到5‑HMF。固态残渣置入第二套微波反应器，添加一定比例的水，进行微波水热处理，而后真空过滤固液分离。固相得到的水热炭进行干燥，液相产物重新置入第一套微波反应器。本发明专利技术工艺在没有额外催化剂的条件下，能够有效的提高有机废弃物生产5‑HMF和水热炭的产率，且水热炭可以作为清洁燃料、炭基土壤修复剂和土壤改良剂。

Device and Method for Synchronized Preparation of 5-Hydroxymethyl Furfural and Hydrothermal Carbon from Organic Waste

The invention discloses a device and method for synchronously preparing 5 hydroxymethyl furfural (5 HMF) and hydrothermal carbon from organic waste, aiming at producing high value substance 5 HMF and hydrothermal carbon, taking into account the effective saving of resources and environmental pollution. The process steps are as follows. Organic wastes are pretreated, and liquid substances and solid residues are finally obtained by solid-liquid separation. The liquid part enters the first set of microwave reactor without adding external water, and microwave hydrothermal treatment is carried out under certain conditions to obtain 5_HMF. Solid residue was put into the second set of microwave reactor, and added a certain proportion of water to carry out microwave hydrothermal treatment, then vacuum filtration solid-liquid separation. The hydrothermal carbon obtained from solid phase was dried and the liquid phase product was re-placed in the first set of microwave reactor. The process of the invention can effectively improve the production rate of 5 HMF and hydrothermal carbon from organic waste without additional catalyst, and hydrothermal carbon can be used as clean fuel, carbon-based soil remediation agent and soil amendment agent.

【技术实现步骤摘要】
利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置及方法
本专利技术涉及废物资源化领域，尤其涉及一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法。
技术介绍
随着种植业集约化发展进程的加快和居民生活水平的日益提高，大量的有机废弃物(如烂水果、烂菜叶、秸秆等)随之产生，并对环境带来了不良影响，给人们的生产和生活产生负面影响。该类型废弃物最大特点是水分含量和有机质含量(如纤维素)很高，其中也富含糖类。这是一类宝贵的资源。本专利技术利用该类废弃物的特性，以探寻一种有价值的物质,并考虑将该类废弃物最大程度资源化。5-羟甲基糠醛(5-HMF)是重要精细化工中间体，被视为基于生物质资源的新平台化合物，在农业化学、电化学、化妆品工业、合成医药中间体等行业都有广泛应用。最近，5-HMF被认为是链接于碳水化合物资源与石油工业之间的桥梁，因为将5-HMF选择性氢化脱氧后得到的2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种优质燃料，其能量密度比乙醇高40％，并且挥发性很小，显示出替代化石燃料的巨大潜力。而它的前体物质正好的小分子糖：葡萄糖和果糖。因此，从废弃物中提取5-HMF具有非常大的商业潜力。相比之下，目前较为常见的处理固体废弃物的技术主要有填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化等方式。填埋需要占用大量土地，而且产生的渗滤液对地下水和土壤会带来污染；焚烧有机废弃物不仅仅是资源浪费，而且需要输入大量能量，并且产生会大量的二噁英和粉尘，存在二次污染的问题；堆肥、厌氧消化等生物处理处置有机废物技术很粗放，均存在处理周期较长，需调理，散发恶臭等缺点。因此，迫切需要开发一种既能节约资源、保护环境，又能带来巨大经济效益的处理方式。微波技术在20世纪80年代得到了迅猛的发展，将微波技术用于治理环境污染是近年来兴起的一项新的研究领域，因其快速、高效和无二次污染等特点而倍受环境研究者的青睐。微波不仅可以改善反应条件，加快反应速度，提高反应产率，还可以促进一些难以进行的反应发生。因此该技术适用于本专利技术。目前，微波技术在固体废弃物的处理与处置等方面的研究和应用取得了显著的效果。对于利用微波技术将废弃物转化为5-HMF的文献、专利技术也不占少数。但这些都是在添加催化剂、有机溶剂或者离子液体的前提下，如中国专利CN101456851A公开了“一种微波促进制备5-羟甲基糠醛的方法”、中国专利CN105214725A公开了“碳水化合物有效转化成5-羟甲基糠醛的绿色催化方法”。尽管这些条件能提高5-HMF的产率，但也会随之带来负面影响。如催化剂不能重复利用，又可能导致产品很难分离；有机溶剂的使用会导致后续废液难处理，增加成本；离子液体本身就是比较昂贵的物质。因此，本专利技术在不考虑这些物质添加的前提下，本着资源节约和环境友好的角度，设计低温微波水热工艺，通过条件优化来使5-HMF产率最大化，又能生产水热炭，将有机废弃物资源化利用程度得到提升，且所产废液主要含小分子无毒有机物，对环境无污染，可直接排入污水管道处理。
技术实现思路
1.专利技术目的本专利技术的目的在于解决现有技术中有机废弃物资源化中存在的问题，并提供一种新的有机废弃物资源化方法，即一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，该方法能够对有机废弃物进行有效利用，用相对较低的处理处置成本以提高5-HMF产率，同时制备水热炭，并避免环境污染。2.技术方案第一方面，本专利技术提供一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，它包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和干燥装置，第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，第二套蒸馏提取装置的液体出口连接第一套微波反应装置入口。优选的，所述的第一套固液分离装置为离心机。优选的，所述的第二套固液分离装置为真空过滤设备。第二方面，本专利技术提供一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其步骤如下：1)将有机废弃物进行研磨，破坏其中的纤维素结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，离心，固液分离得到液体部分和固态残渣；2)将1)中的液体部分置入第一套微波反应器中，不添加外源水，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF；3)将1)中的固态残渣置入第二套微波反应器中，添加一定比例的水后，进行低温微波水热处理，反应结束后固液分离，得到水热炭；4)第二套微波反应器中固液分离得到的液相产物重新置入第一套微波反应器中，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF。优选的，所述的有机废弃物包括水果皮、烂菜叶、秸秆。优选的，所述的步骤1)中，用研磨机将有机废弃物研磨成糊状物，然后再置于离心机中，于10000r/min转速下离心5min。优选的，所述的第一套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，升温速率2～8℃/min；该条件进一步优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率6℃/min。优选的，所述的第二套微波反应器中，低温微波水热条件如下：停留温度为130～190℃，停留时间为5～60min，液固比为8～20；该条件进一步优选为：停留温度为170℃，停留时间为5min，升温速率为6℃/min，液固比为12。优选的，所述的5-HMF的分离方式为蒸馏提取。优选的，所述的步骤3)中，固液分离方式为真空过滤。本专利技术中同步制备5-羟甲基糠醛和水热炭的方法，具有以下有益效果：1、有机废弃物处理后固相和液相产物都能有效利用；2、有机废弃物低温微波水热过程中不会产生二次污染；3、低温微波水热处理效率高，比焚烧和传统水热条件要温和，节约资源；4、微波反应器经低温微波水热后液体产物中有明显高含量的5-HMF，可以被利用。5、第二套微波反应器产出的水热炭可以作为清洁燃料、炭基土壤修复剂和土壤改良剂。6、低温微波水热后产生的废液可以直接排放入污水管道。附图说明图1为本专利技术中利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置工艺流程图；图2为本专利技术第二套微波反应器制备的水热炭在不同停留温度、停留时间和液固比因子下的扫描电镜图(SEM)。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求和摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。为了进行下述的各实施例，本专利技术中采用了一套利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，该装置中包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和一套干燥装置。第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，待处理的有机废弃物从该原料入口进入第一套固液分离装置中，第一套固液分离装置为离心机。大部分有机废弃物原料，例如瓜果皮，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用有机废弃物同步制备5‑羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和干燥装置，第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，第二套蒸馏提取装置的液体出口连接第一套微波反应装置入口。

【技术特征摘要】
1.一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，包括两套固液分离装置、两套微波反应装置、两套蒸馏提取装置和干燥装置，第一套固液分离装置上设有用于投加有机废弃物的原料入口，第一套固液分离装置的液相出口连接第一套微波反应装置入口，第一套固液分离装置的固相出口连接第二套微波反应装置入口，第一套微波反应装置的出口连接第一套蒸馏提取装置，第二套微波反应装置的出口连接第二套固液分离装置入口，第二套固液分离装置的液相出口连接第二套蒸馏提取装置，第二套固液分离装置的固相出口连接干燥装置，第二套蒸馏提取装置的液体出口连接第一套微波反应装置入口。2.如权利要求1所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，所述的第一套固液分离装置为离心机。3.如权利要求1所述的利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的装置，其特征在于，所述的第二套固液分离装置为真空过滤设备。4.一种利用有机废弃物同步制备5-羟甲基糠醛及水热炭的方法，其特征在于，步骤如下：1)将有机废弃物进行研磨，破坏其中的纤维素结构，释放原料中的结合水以及植物细胞的胞内水和胞内物，离心，固液分离得到液体部分和固态残渣；2)将1)中的液体部分置入第一套微波反应器中，不添加外源水，进行低温微波水热处理，反应结束后分离得到5-HMF；3)将1)中的固态残渣置入第二套微波反应器中，添加一定比例的水后，进行低温微波水热处理，反应结束后固液分离，得到水热炭；4)第二套微波反...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙於洋，邵宇超，沈东升，周颖，金之源，周丹，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33