一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法技术

本发明专利技术提供一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法，属于固体废弃物资源化处理技术领域。本发明专利技术利用过氧化氢表面氧化的方法定向调控蓝藻生物炭表面含氧官能团种类及数量，显著提升蓝藻生物炭材料的得失电子能力及氧化还原活性。本发明专利技术首次建立了一种基于表面含氧官能团定向调控的功能型蓝藻生物炭制备方法，并将其应用到强化厌氧消化体系中可实现缩短产甲烷启动期、加快产甲烷速率的同时提升甲烷产量，有利于进一步提升有机废弃物厌氧消化处理处置的整体效能。物厌氧消化处理处置的整体效能。物厌氧消化处理处置的整体效能。

【技术实现步骤摘要】
一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法


[0001]本专利技术属于固体废弃物资源化处理
，具体涉及一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法。

技术介绍

[0002]蓝藻是水体富营养化的生态产物，蓝藻暴发给我国淡水湖泊水质及周边居民生活环境质量造成了严重影响。目前，基于“藻水分离”的集中打捞是太湖流域等区域应对蓝藻问题的主要控制方法，打捞期间会产生大量的蓝藻泥生物质。以太湖流域为例，每年为治理水体环境需要打捞的蓝藻泥量达到百万吨。蓝藻泥得到妥善的处置才能实现水体中污染物质的最终消除，但由于蓝藻泥含水率较高(85％
‑
97％，w/w)，运输及处理成本都较高，并且蓝藻泥长时间堆放会由于腐烂、酸败等进一步产生相关的环境污染问题。因此为缓解集中打捞期间产生的大量蓝藻泥给水体环境治理工作带来的压力，必需要开发一种合理的蓝藻泥处理处置方法。
[0003]蓝藻泥是一种高有机质含量的生物质，其挥发性有机质含量占比可达干重的90％以上，因此具备制备高品质功能生物炭的基本条件。前期的专利申请“一种促进蓝藻泥快速脱水并制备棒状生物炭的方法，申请号CN202010673671.X”也确认了制备蓝藻生物炭的可行性。相比之下利用蓝藻生物质制备高氧化还原能力的功能型生物炭材料在厌氧消化、土壤修复等环保领域具备更广的应用前景，这是因为高有机质的蓝藻生物质在低温慢速热解条件下制备得到的初级蓝藻生物炭具有较为丰富的表面官能团结构，其中表面含氧官能团被认为能够赋予蓝藻生物炭一定的氧化还原能力。具有氧化还原活性的功能型生物炭材料能够介导生物/化学的电子传递过程，进而能够起到强化厌氧消化过程功能微生物种间电子传递过程的作用，最终通过强化厌氧功能微生物种间互营作用实现厌氧消化过程强化。
[0004]需要指出的是通过低温慢速热解制备的初级蓝藻生物炭虽然具有较为丰富的表面官能团结构，但其中与生物炭材料的氧化还原能力密切相关的特定官能团(如表面含氧官能团)并非占主导地位，这也导致初级蓝藻生物炭的氧化还原能力有限，应用到复杂的厌氧消化体系中会受到其他因素的干扰而无法发挥作用。但由于热解过程的不可控因素众多，目前尚难以在生物炭热解阶段实现生物炭材料的表面官能团调控。因此，有必要开发一种新型蓝藻生物炭特性定向调控新技术，为蓝藻高值资源化处理以及功能型生物炭材料开发及改造提供了新思路和新方案。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题与不足，本专利技术的目的在于提供一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法。本专利技术以固体废弃物处理处置的基本原则
‑
减量化、无害化、稳定化、资源化为基础，通过过氧化氢表面氧化方法实现初级蓝藻生物炭表面含氧官能团的定向调控，显著提升蓝藻生物炭的氧化还原能力，将制备得到的功能型蓝藻生物炭、应用于强化有机质厌氧消化提升甲烷产量。本专利技术为蓝藻有机质的减量化、资源化处理提
供一种有竞争力的解决方案，更为功能型生物炭材料开发及改造提供了新的思路及新方案。
[0006]本专利技术的技术方案，具体通过以下方式实现：
[0007]一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法，包括以下步骤：
[0008](1)收集的蓝藻粉生物质经过筛处理剔除杂质，蓝藻粉生物质中有机质含量在90％(w/w)以上，对所述蓝藻粉生物质进行破碎处理，控制蓝藻粉生物质平均粒径范围为1
‑
5mm；
[0009](2)采用高温慢速热解方法处理步骤(1)中得到的蓝藻粉生物质，进一步对其热解处理，制备得到初级蓝藻生物炭；
[0010](3)采用过氧化氢溶液氧化处理步骤(2)中得到的初级蓝藻生物炭，对蓝藻生物炭的表面官能团进行定向修饰处理，将氧化处理后的蓝藻生物炭经蒸馏水持续漂洗至滤出液为pH中性后，再经低温慢速烘干得到功能型蓝藻生物炭，并将其在密封避光条件下保存；所述过氧化氢溶液浓度为20％
‑
30％(w/w)；
[0011](4)将步骤(3)得到的功能型蓝藻生物炭混合到厌氧消化体系中，调节厌氧消化体系pH至中性，然后控制厌氧消化体系温度维持在30
‑
40℃，连续搅拌，收集沼气，检测产甲烷量及产甲烷速率。
[0012]在一种实施案例中，步骤(2)中所述的高温慢速热解方法包括：将蓝藻粉生物质输送至炭化炉内并持续通入氮气对整个炭化过程进行氮气保护；热解温度为300
‑
500℃，升温速度为5
‑
20℃/min，炭化停留时间为1
‑
3h。
[0013]在一种实施案例中，步骤(3)中所述过氧化氢溶液与所述初级蓝藻生物炭的体积质量比为20
‑
30∶1(v/w)。
[0014]在一种实施案例中，步骤(3)中所述的氧化处理包括：连续搅拌混匀所述过氧化氢溶液和所述初级蓝藻生物炭的混合物，加热至60℃，恒温继续搅拌12h。
[0015]在一种实施案例中，步骤(3)中所述低温慢速烘干条件为：烘干温度为60
‑
80℃，烘干时间为8
‑
12h；所述保存温度为16
‑
26℃。
[0016]在一种实施案例中，步骤(3)中所述功能型蓝藻生物炭的表面分布有羧基类、羟基类和酯酮类官能团。
[0017]在一种实施案例中，所述羧基类官能团的含量0.58mmol/g生物炭，所述羟基类官能团的含量为0.51mmol/g生物炭，所述酯酮类官能团的含量为0.73mmol/g生物炭。
[0018]在一种实施案例中，所述功能型蓝藻生物炭的供电子能力≥1.22
±
0.32μmol e
‑
/g生物炭。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0020]1、本专利技术基于高有机质含量蓝藻泥生物质经低温慢速热解制备得到的初级蓝藻生物炭，首次通过过氧化氢表面氧化的方法实现蓝藻生物炭表面含氧官能团的定向调控，显著提升了蓝藻生物炭的氧化还原能力，特别是功能型蓝藻生物炭供电子能力较原始生物炭上升了64.9％，达到≥1.22
±
0.32μmol e
‑
/g生物炭的水平。制备得到高氧化还原能力的功能型蓝藻生物炭能够应用于强化有机质厌氧消化提升甲烷产量。
[0021]2、在相同投加量情况下(10g/L)的模拟底物厌氧消化体系中，相较于原始生物炭，添加制备的功能型蓝藻生物炭能够缩短产甲烷延滞期16.1％，提升厌氧消化过程甲烷产量
9.9％，提升最大产甲烷速率1.5％。添加功能型蓝藻生物炭材料能够明显缩短厌氧运行周期，显著提升了厌氧消化过程的产能效果。
附图说明
[0022]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0023]图1为本专利技术利用改性蓝藻生物炭强化厌氧消化的工艺流程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)收集的蓝藻粉生物质经过筛处理剔除杂质，所述蓝藻粉生物质中有机质含量在90wt％以上，对所述蓝藻粉生物质进行破碎处理，控制其平均粒径范围为1
‑
5mm；(2)采用高温慢速热解方法处理步骤(1)中得到的蓝藻粉生物质，进一步对其热解处理，制备得到初级蓝藻生物炭；(3)采用过氧化氢溶液氧化处理步骤(2)中得到的初级蓝藻生物炭，将氧化处理后的蓝藻生物炭经蒸馏水持续漂洗至滤出液为pH中性后，再经低温慢速烘干得到功能型蓝藻生物炭，并将其在密封避光条件下保存；所述过氧化氢溶液浓度为20
‑
30wt％；(4)将步骤(3)得到的功能型蓝藻生物炭混合到厌氧消化体系中，调节厌氧消化体系pH至中性，然后控制厌氧消化体系温度维持在30
‑
40℃，连续搅拌，收集沼气。2.根据权利要求1所述的制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高温慢速热解方法包括：将蓝藻粉生物质输送至炭化炉内并持续通入氮气对整个炭化过程进行氮气保护；热解温度为300
‑
500℃，升温速度为5
‑
20℃/min，炭化停留时间为1
‑
3h。3.根据权利要求1所述的制备功能型蓝藻生物炭并应用于强化厌氧消化的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘和，姜谦，郑志永，张衍，崔敏华，符波，刘宏波，张学东，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：