制备高可生物利用性磷含量生物炭的方法、生物炭及应用技术

本发明专利技术公开了一种制备高可生物利用性磷含量生物炭的方法、生物炭及应用。所述方法包括：将同时含有钾元素、钙元素的生物质灰与脱水污泥混匀，进行共热解后得到生物炭；其中，所述生物质灰中钾元素含量大于或等于30wt％，钙元素含量大于或等于10wt％。所述生物炭中可生物利用性磷的含量占生物炭中总磷含量比例为90％以上。本发明专利技术提供的方法能够高效提高污泥热解生物炭中磷的可生物利用性，并降低重金属含量，无需额外投加化学试剂，工艺流程简单，同时能够实现生物质灰的资源化利用。本发明专利技术提供的生物炭富含钾、钙等营养元素，有利于植物生长。长。长。

【技术实现步骤摘要】
制备高可生物利用性磷含量生物炭的方法、生物炭及应用


[0001]本专利技术属于污泥资源化领域，更具体地，涉及一种制备高可生物利用性磷含量生物炭的方法、生物炭及应用。

技术介绍

[0002]磷是生命体组成的重要元素，在生命活动中不可或缺，但同时磷在自然界呈现单向流动的趋势，不可自然再生。按照目前我国磷矿资源开采和消耗速度，结合已探明资源储量静态预测，我国的磷矿石资源仅能供应至2050
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2060年，磷危机即将到来，对磷的回收利用成为必然，从二次磷资源中回收磷受到了日益关注。市政污泥是除动物骨粉外含磷最多的有机废物，是一种极具潜力的磷回收二次资源，从污泥中回收磷已成为国际热点研究方向。然而，污泥中含有病原微生物、重金属和有机污染物等有毒有害物质，且其中磷的可生物利用性不高，限制了通过将其直接土地利用以回收磷。
[0003]近年来，热解技术因能大幅度缩减污泥体积、破坏有机污染物及病原体并有效提高产物中磷含量，在污泥磷回收领域得到了广泛研究。但污泥热解生物炭中的磷大多以难溶性正磷酸盐形式存在，难以直接回收利用。有专利通过将磷转移到液相然后合成产品以回收磷，如专利CN202110245451.1公开了一种从市政污泥高效回收磷且同步制备多孔生物炭的方法，用碱金属活化试剂活化污泥并在500
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900℃的温度下进行热解，得到污泥热解生物炭，再对其进行水浸处理，固液分离后即可得到富磷溶液及多孔生物炭，但存在需要额外添加化学试剂、所需热解温度较高、流程复杂等问题。还有研究通过向污泥中投加含有钙的无机物等进行共热解来提高所得热解生物炭中磷的可生物利用性，使得生物炭中的磷可直接被植物利用。如专利CN 108975649A向城市生活污水污泥中加入氧化钙进行热解反应，以提高污泥生物炭中磷元素的可利用率，但该方法需要额外加入化学试剂，增加了运行成本。
[0004]综上，现有污泥热解回收磷方法存在需额外投加化学试剂、工艺繁杂、流程长等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种制备高可生物利用性磷含量生物炭的方法、生物炭及应用，其目的在于高效提高污泥热解生物炭中磷的可生物利用性，并降低重金属含量，同时实现生物质灰的资源化利用。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于共热解制备高可生物利用性磷含量的生物炭的方法，包括：将同时含有钾元素、钙元素的生物质灰与脱水污泥混匀，进行共热解后得到生物炭；其中，所述生物质灰中钾元素含量大于或等于30wt％，钙元素含量大于或等于10wt％。
[0007]本专利技术方法原理如下：市政污泥热解生物炭中磷主要是以磷酸铁、磷酸钙、磷酸铝等正磷酸盐存在，磷可生物利用性较低。本专利技术采用同时含有钾元素、钙元素的生物质灰(即富钾钙生物质灰)与脱水污泥进行共热解，富钾钙生物质灰由于含有KCl、K2CO3、CaO等物
相，在污泥热解过程中可以与污泥中磷酸盐反应生成羟基磷酸钙、磷酸钾钙、磷酸铁钾、磷酸氢钾等含磷物相，从而提高热解生物炭中磷的可生物利用性，且共热解所得生物炭同时富含钾、钙等营养元素，有利于植物生长。以FePO4为例，可能发生的反应式如下式(1)
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(6)所示。此外，灰分中的氯能在高温下与污泥中的重金属反应，形成沸点更低、更易挥发的重金属氯化物，从而促进热解炭中的重金属的脱除，提高了污泥热解生物炭作为肥料利用的潜力。
[0008]4 FePO4+2 K2CO3＝4 KFePO4+2 CO2(g)+O2(g)
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(1)
[0009]12 FePO4+3 K2CO3＝2 K3Fe5(PO4)6+3 CO2(g)+Fe2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]12 FePO4+6 KCl+3 H2O＝2 K3Fe5(PO4)6+6 HCl(g)+Fe2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0011]2 FePO4+2 K2CO3+H2O＝2 K2HPO4+2 CO2(g)+Fe2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0012]2 FePO4+4 KCl+3 H2O＝2 K2HPO4+4 HCl(g)+Fe2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0013]6 FePO4+10 CaO+H2O＝2 Ca5(PO4)3(OH)+3 Fe2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0014]优选地，所述生物质灰中钾元素含量为30
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50wt％，钙元素含量为10
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20wt％。
[0015]优选地，所述生物质灰包括向日葵秸秆灰、橄榄果渣灰和玉米棒灰中的至少一种。
[0016]优选地，所述生物质灰通过将生物质依次进行焚烧、干燥、研磨和过筛处理后得到。其中，所述灼烧为以10℃/min的升温速度将炉温升至250
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300℃，并在此温度下保持60min；继续升温到550
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600℃，并在此温度下灼烧3
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4h；过筛处理时例如可以采用过80目筛处理。
[0017]优选地，所述生物质灰的质量占生物质灰与脱水污泥混合物总质量的30
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50％。
[0018]优选地，所述共热解在惰性气体保护下进行，所述共热解的热解温度为400
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600℃。
[0019]优选地，所述脱水污泥在与生物质灰混匀之前还进行了前处理，所述前处理为依次进行干燥、研磨和过筛处理。过筛处理时例如可以采用过80目筛处理。
[0020]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种生物炭，所述生物炭中可生物利用性磷的含量占生物炭中总磷含量比例为90％以上，所述可生物利用性磷是指可溶解在植物根部并在作物生命周期中被植物利用的磷成分，可评估回收磷产品或磷肥的实际应用价值，可通过测试回收磷产品或磷肥在2％质量浓度的柠檬酸的溶解度来评价。
[0021]按照本专利技术的又一个方面，提供了一种生物炭的应用，作为含磷肥料。
[0022]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0023](1)本专利技术通过将同时含有钾元素、钙元素的生物质灰与脱水污泥进行共热解，其中，所述生物质灰中钾元素含量大于或等于30wt％，钙元素含量大于或等于10wt％。不仅能使所得生物炭中可生物利用性磷含量占其总磷含量比例提高至没有掺杂生物质灰的脱水污泥直接热解生物炭相应物质的比例的10倍以上，还可降低其中重金属含量，同时生物炭富含钾、钙等营养元素，有利于植物生长。无需额外投加化学试剂，工艺流程简单。
[0024](2)本专利技术通过将富钾钙生物质灰与脱水污泥进行低温共热解，而不是直接将生物质与脱水污泥进行混合，这是考虑到生物质多作为生物质焚烧发电的原料进行资源化利用；而生物质灰作为生物质焚烧发电的副产品，大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共热解制备高可生物利用性磷含量的生物炭的方法，其特征在于，包括：将同时含有钾元素、钙元素的生物质灰与脱水污泥混匀，进行共热解后得到生物炭；其中，所述生物质灰中钾元素含量大于或等于30wt％，钙元素含量大于或等于10wt％。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质灰中钾元素含量为30
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50wt％，钙元素含量为10
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20wt％。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物质灰包括向日葵秸秆灰、橄榄果渣灰和玉米棒灰中的至少一种。4.如权利要求1
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3任一项所述的方法，其特征在于，所述生物质灰通过将生物质依次进行灼烧、干燥、研磨和过筛处理后得到；其中，所述灼烧为以10℃/min的升温速度将炉温升至250
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300℃，并在此温度下保持60...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁莎，郭晓，杨家宽，虞文波，袁书珊，肖可可，黄亮，段华波，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：