一种木质纤维炭的制备方法及其在沼液处理中的应用技术

本发明专利技术涉及一种木质纤维炭的制备方法及其在沼液处理中的应用，以木质纤维基废弃物为原料，经过低温水热糖化分离出富含葡萄糖的水热糖液和富氮水热炭，富氮水热炭经过进一步的中温活化改性与低温水热氧化，制备具有合适孔径分布、丰富表面含氮含磷含氧活性基团、高电容性能的木质纤维炭。所述木质纤维炭既可以作为产絮菌载体，增强絮凝效果，获得固体菌肥，又可以作为电容去离子电极材料，处理絮凝后的上清液，获得浓缩液体肥。本专利提出了一种新的沼液处理路径，对沼液深度处理和养分回收具有重要意义。重要意义。重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维炭的制备方法及其在沼液处理中的应用


[0001]本专利技术涉及领域炭材料制备与沼液深度处理
，具体涉及一种木质纤维炭的制备方法及其在沼液处理中的应用。

技术介绍

[0002]近年来中国畜禽养殖业发展迅速，以禽畜粪便为原料的大中型沼气工程日益增多。然而，沼气发酵的副产物沼液带来了许多环境问题，比如沼液直接排放会造成水体富营养化。沼液中含有大量有机物、常量营养元素和微量营养物质，具有资源化利用价值。本专利通过絮凝、电容去离子技术提出一种新的沼液处理路径，可以有效处理沼液并回收养分，得到固体菌肥、浓缩液体肥和清水。
[0003]絮凝可以有效降低废水中的化学需氧量、生化需氧量等，是一种常用的沼液资源化利用技术。微生物絮凝剂是一种由微生物或其分泌物产生的特殊代谢产物，是一种新型、绿色的絮凝剂。然而，微生物容易受到环境的影响，为解决这个问题，可以将微生物负载到载体上，从而保护微生物，使微生物保持较高的活性和种群密度。生物炭通常由生物质在无氧条件下高温炭化而成，具备丰富的孔隙结构、良好的比表面积，是微生物的理想载体。中国专利申请CN 115558502 A公布了一种生物炭固定微生物土壤改良剂的制备方法和应用，通过使微生物吸附于生物炭上，得到生物炭固定微生物土壤改良剂。但此技术仅用于土壤改良，忽略了生物炭固定微生物的其他用途。
[0004]絮凝虽然可以去除大部分有机物，但清液中仍存在氨氮、钾等，未能达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)一级标准。电容去离子是一种新型的电化学脱盐技术，具有易再生、效率高、能耗低等特点。可以利用电容去离子技术进一步深度处理沼液絮凝后的上清液。电极材料是影响电容去离子性能的重要因素，炭材料在电极材料的应用十分广泛。中国专利申请CN 112340728 A公开了一种板栗壳基生物质炭材料及其制备方法和应用，通过对板栗壳粉末进行酸碱改性，然后高温炭化，得到电容去离子电极材料。中国专利申请CN 113035592A公开了一种利用玉米秸秆制备电容去离子电极的方法，将玉米秸秆预炭化后掺杂氢氧化钾，高温活化后酸洗，得到电极材料。中国专利申请CN 113880086 A公开了一种氮磷共掺杂生物质衍生电容去离子电极的制备方法，将大豆秸秆预炭化后与磷酸氢二铵混合，进行高温煅烧和二氧化炭活化后酸洗，得到大豆秸秆衍生炭材料。以上电极材料都有一定的效果，但是电极材料仍存在孔隙不发达、表面活性基团少等缺点，植物木质纤维是自然界储量最丰富的天然多分子材料，价格低廉、易降解、无污染，并且炭含量和芳香环高，是理想的生物炭材料的原料。
[0005]然而植物木质纤维直接炭化孔径分布不均，结构不理想，中国专利申请CN113830766 A公开了一种发酵活化氧化的多孔活性生物炭的制备方法，将林业废弃物在氯化锌、三聚氰胺混合活化剂的中高温活化条件下制得多孔活性生物炭，但三聚氰胺作为有机活化剂，容易在氯化锌活化的微孔中堵塞孔隙，从而减少孔隙结构。而本专利使用的氯化锌与磷酸活化协同作用，磷酸进入氯化锌活化的微孔中，促进炭材料产生更多的介孔结
构和表面含磷基团，并且丝瓜络自身含有丰富的氮含量，低温水热糖化能提取出糖类物质，后面的水热氧化可以在活化的基础上增加碳材料的表面含氧基团。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种木质纤维炭的制备方法及其在沼液处理中的应用，以木质纤维基废弃物为原料，采用低温水热糖化、中温浸渍活化和水热氧化3种处理相结合，制备了具有合适孔径分布、丰富表面含氧含氮含磷活性基团、高电容性能的木质纤维炭，其不仅可以应作产絮菌载体，有效提高沼液絮凝率，而且可以应用于电容去离子，能有效富集回收沼液上清液养分成分。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的方案如下：一种木质纤维炭的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)将丝瓜络和黄豆荚按一定比例混合，加入浓度为10
‑
20wt％的柠檬酸水溶液介质中，进行低温水热糖化处理，获得水热糖液和水热炭；
[0009]2)将步骤1得到的水热炭与氯化锌和磷酸组成的混合活化剂进行混合，浸渍12h后，于105℃干燥至恒重，获得混合物；
[0010]3)将步骤2得到的混合物在惰性氛围下进行浸渍活化反应，反应结束后，将活化固体产物用浓度为1～2mol/L酸洗，获得活性炭；
[0011]4)活性炭与双氧水混合，进行水热氧化反应，反应结束后，将产物进行水洗和干燥处理，获得木质纤维炭。
[0012]丝瓜络呈纤维网状结构，富含氮元素，黄豆荚含有一定的锌铁元素，能调节丝瓜络的孔隙结构。使用的氯化锌活化可以产生较多微孔结构，相比于碱性活化剂，氯化锌有利于稳定炭骨架，炭产率更高。所制得的木质纤维炭具有发达的空隙结构，丰富的表面基团。
[0013]优选的，所述步骤1)，丝瓜络与黄豆荚的质量之比为1:1
‑
2:1，丝瓜络与黄豆荚的质量之和与柠檬酸水溶液的投料比为1:6
‑
1:8g/L。丝瓜络呈纤维网状结构，富含氮元素，黄豆荚含有一定的锌铁元素，能调节丝瓜络的孔隙结构，两个产物进行混合，属于原位掺杂氮和金属元素，不容易堵塞孔隙，比化学添加更具优势。
[0014]优选的，所述步骤1)，水热糖化反应温度为120
‑
160℃，反应时间为2
ꢀ‑
3h。糖化温度较低，有利节约能量。
[0015]优选的，所述步骤2)，混合活化剂中氯化锌与磷酸的质量之比为1:3
‑
3:1，水热炭与混合活化剂的质量之比为1:2
‑
2:1。磷酸可以进入氯化锌活化的微孔中，促进炭材料产生更多的介孔结构和表面含磷基团，使木质纤维炭具有合适的孔径分布，同时促进其表面产生含磷活性基团。
[0016]优选的，所述步骤3)，所述步骤3中的活化反应的升温速率为5
‑
10℃/min，反应温度为450
‑
650℃，反应时间为1h
‑
2h。采用的活化温度为中温活化温度，比700
‑
900℃的高温活化温度更能够节约能源。
[0017]优选的，所述步骤4)双氧水浓度为10
‑
30％，活性炭与双氧水的固液比为1:7
‑
1:10g/L，水热氧化反应温度为220
‑
260℃，反应时间为0.5
ꢀ‑
1h。
[0018]如上所述木质纤维炭的制备方法制得的木质纤维炭在处理沼液中的应用，包括以下步骤：
[0019]1)将木质纤维炭、产絮菌菌种、尿素、水热糖液混合，经过48
‑
60h曝气，超声后得到木质纤维炭基微生物絮凝剂；所述产絮菌菌种为枯草芽孢杆菌、假单胞菌中的一种或两种；水热糖液为上述木质纤维炭的制备方法步骤1)中得到的水热糖液；水热糖液作为产絮菌生长所需炭源，节省了产絮菌培养成本。
[0020]2)木质纤维炭基微生物絮凝剂、助凝剂与沼液混合，静置10
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将丝瓜络和黄豆荚按一定比例混合，加入柠檬酸水溶液介质中，进行水热糖化处理，获得水热糖液和水热炭；2)将步骤1得到的水热炭与氯化锌和磷酸组成的混合活化剂进行混合，浸渍一段时间后，干燥至恒重，获得混合物；3)将步骤2得到的混合物在惰性氛围下进行中温活化反应，反应结束后酸洗，获得活性炭；4)活性炭与双氧水混合，进行水热氧化反应，反应结束后，将产物进行水洗和干燥处理，获得木质纤维炭。2.根据权利要求1所述一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)，丝瓜络与黄豆荚的质量之比为1:1
‑
2:1，柠檬酸水溶液的浓度为10％
‑
20％，丝瓜络与黄豆荚的质量之和与柠檬酸水溶液的投料比为1:6
‑
1:8g/L。3.根据权利要求1所述一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)，水热糖化反应温度为120
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160℃，反应时间为2
‑
3h。4.根据权利要求1所述一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2)，混合活化剂中氯化锌与磷酸的质量之比为1:3
‑
3:1，水热炭与混合活化剂的质量之比为1:2
‑
2:1。5.根据权利要求1所述一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，所述步骤3)，所述步骤3中的活化反应的升温速率为5
‑
10℃/min，反应温度为450
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650℃，反应时间为1
‑
2h。6.根据权利要求1所述一种木质纤维炭的制备方法，其特征在于，所述步骤4)双氧水浓度为10
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30％，活性炭与双氧水的固液比为1:7
‑
1:10g/L，水热氧化反应温度为220
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【专利技术属性】
技术研发人员：牛文娟，宋涛，袁巧霞，刘念，秦千惠，钱鹏举，王媛媛，曹红亮，艾平，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：