水熱碳化以生物質(zhì)為原料,水作為液相反應(yīng)介質(zhì),在一定溫度(150-250℃)和壓力(2-10 MPa)下,將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為以生物炭為主的一系列高附加值產(chǎn)物。

水熱碳化是一種高效的廢棄生物質(zhì)資源化技術(shù)。水熱碳化是指將生物質(zhì)廢棄物置于高溫(150-350℃)水溶液中停留一段時(shí)間,脫水脫羧形成具有明確理化性質(zhì)的固體產(chǎn)物。

水熱碳化是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更高能量密度形式的碳的一種有效途徑,也是制備生物質(zhì)炭材料和生物油的重要方法。

水熱碳化溫度、時(shí)間：

本文采用廢棄生物質(zhì)松子殼和玉米芯作為原料,分別在不同的水熱碳化溫度(180℃、200℃、230℃)下反應(yīng)5 h,利用掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜分析(FT-IR)、元素分析、含氧官能團(tuán)測(cè)定等手段對(duì)所得水熱炭進(jìn)行了詳細(xì)的表征。

SEM顯示當(dāng)溫度達(dá)到220℃時(shí),碳化物表面開(kāi)始形成微球結(jié)構(gòu),且隨著溫度和時(shí)間的增大,微球結(jié)構(gòu)均一性、分散度越來(lái)越好。

在溫度為200℃時(shí),分別利用Fe3+、檸檬酸作為添加劑。結(jié)果表明,Fe3+、檸檬酸均能促進(jìn)生物質(zhì)的水熱碳化過(guò)程，所得水熱炭的熱值提高了20-40%，SEM顯示，添加Fe3+的玉米芯和松子殼水熱炭表面生成的炭微球數(shù)量顯著，且球形完整、粒徑較大、表面光滑；添加檸檬酸的水熱炭表面的炭微球粒徑在納米級(jí)別,呈現(xiàn)致密的蜂窩狀。

在反應(yīng)溫度260℃、停留時(shí)間為1h時(shí)，生物炭能量密度已經(jīng)提高了69.45%，獲得了較高的能量密度，進(jìn)一步提高反應(yīng)劇烈程度能提升的能量密度有限。掃描電鏡分析說(shuō)明經(jīng)過(guò)水熱碳化處理的生物炭整體呈現(xiàn)碎片狀態(tài)，并伴有大量蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可能是脫羰基反應(yīng)導(dǎo)致稻草內(nèi)部的纖維素、半纖維素大量分解。在反應(yīng)溫度260℃,停留時(shí)間1h時(shí)，固相產(chǎn)物吸水率較低，故此條件下生物炭的性能良好，是制備生物炭的較適宜條件。

與干法碳化相比，水熱碳化保留了較多的有機(jī)碳。干法碳化后的污泥炭較原污泥呈現(xiàn)弱堿化，而水熱碳化則顯示酸化趨勢(shì)。此外,與干法碳化相比，水熱碳化在富集有效營(yíng)養(yǎng)元素(磷、氮)和固定重金屬浸出風(fēng)險(xiǎn)上均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。這些結(jié)果預(yù)示著水熱碳化法在污泥資源化處理方面的巨大潛能。

考察金屬離子(Ca2+、Zn2+、Al3+和Fe3+)對(duì)松子殼生物炭的影響。結(jié)果表明，4種金屬離子均對(duì)松子殼水熱碳化起到促進(jìn)作用，金屬離子的加入可在較低溫度下得到具有較高碳含量及熱值的生物炭。添加金屬離子的水熱炭化過(guò)程在180-230℃以脫水為主，伴隨脫羧反應(yīng),在230-250℃以脫甲烷化為主。在4種金屬離子中，F(xiàn)e3+對(duì)松子殼水熱碳化的促進(jìn)作用最大，溫度180℃時(shí)，添加Fe3+所得生物炭的碳含量和熱值分別為66.59%和24.40 MJ???kg-1，是在純水中180℃時(shí)生物炭的碳含量的1.29倍,熱值的1.31倍。在掃描電鏡中發(fā)現(xiàn)添加Fe3+生成的生物炭出現(xiàn)的球形結(jié)構(gòu)較多。通過(guò)調(diào)節(jié)溫度以及添加適合的金屬離子可實(shí)現(xiàn)對(duì)炭微球的粒徑及數(shù)量的控制。

標(biāo)簽：炭化原理技術(shù)