(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010119648.6(22)申请日 2020.02.26
(71)申请人 华南农业大学
地址 510642 广东省广州市天河区五山路
483号(72)发明人 许细薇 蒋恩臣 程树朝 孙焱
涂任 贾志文 沈晓文 何臻 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有
限公司 44245
代理人 苏运贞(51)Int.Cl.
C01B 32/05(2017.01)C05F 11/00(2006.01)C05G 5/20(2020.01)C10L 5/42(2006.01)
C10L 5/44(2006.01)C02F 1/00(2006.01)C02F 11/18(2006.01)C09K 17/02(2006.01)C02F 103/20(2006.01)C02F 101/20(2006.01)
(54)发明名称
生物质和猪粪共水热生物炭及其制备方法与应用(57)摘要 本发明公开了一种生物质和猪粪共水热生物炭及其制备方法与应用。本发明的生物质和猪 粪共水热生物炭的制备方法，包括如下步骤：
(1)将猪粪、生物质和水混合得到水热体系，将其150～240℃炭化20～40min，得到生物质和猪粪共水热生物炭；(2)将共水热生物炭冷却，真空抽滤，烘干。本发明通过在猪粪中加入生物质，实现了对生物炭各项特性的调节，得到的生物炭产率、固定碳含量和高位热值均明显提高，且显著降低了猪粪水热炭中的灰分含量，提高了燃烧性能；Cu、Mn、Zn等危害较大的重金属的浓度明显降低，对重金属的固定效果提高，可作为土壤改良剂和废水处理剂，实现了对畜禽粪便的无害化处理和
资源化利用。
权利要求书1页 说明书7页
CN 111333052 A 2020.06.26
C N 111333052
A
1.一种生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将猪粪、生物质和水混合得到水热体系，将其加入水热反应釜中，通入氮气，边搅拌边升温，150～240℃炭化20～40min，得到生物质和猪粪共水热生物炭；
(2)将步骤(1)得到的共水热生物炭冷却，真空抽滤，烘干。
2.根据权利要求1所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的生物质和猪粪生物质为玉米秸秆、烟杆、油茶壳和松子壳中的一种；步骤(1)中所述的猪粪、生物质和水的用量按照质量比1：1：10～30配比计算。
3.根据权利要求2所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的生物质为油茶壳和松子壳；步骤(1)中所述的猪粪、生物质和水的用量按照质量比1：1：20配比计算。
4.根据权利要求1所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的水热体系采用HCl溶液和NaOH溶液调节体系pH至4～10；步骤(1)中所述的炭化为210℃炭化30min。
5.根据权利要求1所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的生物质过60目筛；步骤(1)中所述的水为去离子水。
6.根据权利要求1所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的通入氮气的时间为10min；
步骤(1)中所述的搅拌的速率为200～500r/min；步骤(1)中所述的升温的速率为2℃/min；步骤(2)中所述的烘干为105℃烘干12h。
7.根据权利要求6所述的生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的搅拌的
速率为300r/min。8.一种生物质和猪粪共水热生物炭，通过权利要求1～7所述的制备方法制备得到。9.权利要求8所述的生物质和猪粪共水热生物炭在制备生物质能燃料、土壤改良剂和废水处理剂中的应用。
权 利 要 求 书
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CN 111333052 A
生物质和猪粪共水热生物炭及其制备方法与应用
技术领域
[0001]本发明涉及畜禽粪便的处理与资源化利用领域，特别涉及一种生物质和猪粪共水热生物炭及其制备方法与应用。
背景技术
[0002]近年来，畜禽养殖产业快速发展，逐渐由传统的分散养殖向规模化、集约化的方式转变。据推测，
2017年，我国年出栏500头以上的规模化养殖场(户)的产能约占全国总产能的50％以上，规模化养猪逐渐占据市场主导地位。规模化和集约化畜禽养殖大大降低了成本，提高了生产效率，但是在带来了巨大的经济和社会效益的同时，也产生了大量的畜禽粪便废弃物，造成了养殖废水和畜禽粪便的过度集中，极大的增加了环境的负担。且我国的禽畜养殖规模随着禽畜产品的需求量的增加呈现逐年增加的趋势。据估计，目前中国每年畜禽粪便的排放总量在30亿t(鲜重)以上，约占全国有机肥料资源量的40％。由于缺乏有效的管理和处理技术，畜禽粪便已经成为了我国的三大污染源之一，大量畜禽粪便排放到农业生态系统，不仅对生态环境造成了严重的污染，也对我国农业的可持续发展提出了巨大的挑战。在畜禽养殖过程中，为了提高饲料的利用率、促进动物的生长以及预防动物疾病，大量重金属添加剂(如Cu、Zn、Mn、Cr等)被添加到畜禽饲料中，但是，由于生物利用率有限，大部分重金属元素会随着动物粪便排出体外。畜禽粪便含有丰富的有机质和氮磷钾等养分，被广泛用作生物肥料和有机肥，导致畜禽粪便中残留的重金属不断向农田土壤中迁移并累积，一方面会对土壤的性质产生负面影响，另一方面可能会抑制农作物的生长发育，降低其产量与品质，甚至会导致重金属迁移至农作物中，从而进入食物链，并最终危害人类的身体健康。
[0003]现行的畜禽粪便的主要处理方法为厌氧发酵生产沼气和堆肥处理，但是沼气发酵后的沼液和沼渣仍然会对环境造成污染问题，而堆肥处理会占用大量的土地资源，氮素释放到空气中，会产生恶臭。并且，这些处理方式普遍存在处理周期较长、处理不彻底和处理效率低等缺点。显然，这些方法很难解决规模化养猪场的问题，不能及时安全地无害化处理与资源化利用每天产生的大量养猪废弃物。
[0004]水热炭化处理是极具潜力的安全无害化处理与资源化利用畜禽粪便的技术之一。水热炭化是一种以生物质或其组分为原料，以水为溶剂和反应介质，在高温和自生压力下，经水热反应合成富碳产物的过程，其产物主要为含氧官能团丰富、热值高的黑固体产物。与传统的热化学转化方法相比，水热炭化法温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，已经成为一种高效的生物质预处理手段和生物质全组分转化方法。同时，水热碳表面丰富的含氧官能团，使水热炭可以更容易的吸附Pb、Cd等重金属离子。近年来，生物质热裂解炭化技术也成为生物质原料资源化利用的重要途径。有研究表明，生活污泥通过热裂解处理制备污泥炭后重金属含量有所增加，但与污泥原样相比，污泥炭中有效态重金属含量明显降低，热解过程有效地降低了有毒重金属的活性，进而减小了有毒重金属的环境风险。采用水热和热解技术对猪粪进行处理能有效避免上述传统堆肥和发酵处理的不足，不
仅具有高温灭菌、处理速度快、周期短、避免抗生素污染等优点，还可获得生物炭、生物油和可燃气等附加产品。特别是生物炭，具有的良好孔隙结构和理化特性，可以改良土壤的结构和理化性质，促进微生物生存繁衍，促进农作物养分吸收，提高作物产量与品质等。[0005]中国每年有大量的秸秆、烟秆等生物质原料被丢弃或焚烧，不仅造成资源浪费，还污染了环境。在猪粪原料中添加不同的生物质原料不仅能更好地利用这些农业废弃物，同时可以调节生物质炭的各项特性，而不同处理方法和反应条件也会对生物炭的燃烧特性和重金属含量产生影响。因此，本发明对畜禽粪便生物炭的制备方法进行了研究，旨在实现对畜禽粪便的无害化处理和资源化利用。
发明内容
[0006]本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法。
[0007]本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的生物质和猪粪共水热生物炭。
[0008]本发明的再一目的在于提供上述生物质和猪粪共水热生物炭的应用。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现：一种生物质和猪粪共水热生物炭的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将猪粪、生物质和水混合得到水热体系，将其加入水热反应釜中，通入氮气，边搅拌边升温，150～240℃炭化20～40min，得到生物质和猪粪共水热生物炭；
[0011](2)将步骤(1)得到的共水热生物炭冷却，真空抽滤，烘干。
[0012]步骤(1)中所述的生物质为玉米秸秆、烟杆、油茶壳和松子壳中的一种；优选为油茶壳和松子壳。
[0013]步骤(1)中所述的生物质过60目筛。
[0014]步骤(1)中所述的猪粪、生物质和水的用量按照质量比1：1：10～30配比计算；优选为按照质量比1：1：20配比计算。
[0015]步骤(1)中所述的水为去离子水。
[0016]步骤(1)中所述的水热体系采用HCl溶液和NaOH溶液调节体系pH至4～10。[0017]步骤(1)中所述的通入氮气的时间为10min。
[0018]步骤(1)中所述的搅拌的速率为200～500r/min；优选为300r/min。
[0019]步骤(1)中所述的升温的速率为2℃/min。
[0020]步骤(1)中所述的炭化优选为210℃炭化30min。
[0021]步骤(2)中所述的烘干优选为105℃烘干12h。
[0022]一种生物质和猪粪共水热生物炭，通过上述制备方法制备得到。
[0023]上述生物质和猪粪共水热生物炭在制备生物质能燃料、土壤改良剂和废水处理剂中的应用。
[0024]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0025] 1.本发明通过在猪粪中加入生物质，实现了对生物炭各项特性的调节，得到的生物炭产率、固定碳含量和高位热值均明显提高，同时显著降低了猪粪水热炭中的灰分含量，提高了燃烧性能。
[0026] 2.本发明的生物质和猪粪共水热生物炭中的Cu、Mn、Zn等危害较大的重金属的浓度明显降低，C/N显著升高，可以作为土壤改良剂。制备生物炭过程中获得的液体产物可以用作液体肥料或微藻培养基。
[0027] 3.本发明的生物质和猪粪共水热生物炭对重金属的固定效果提高，其中，加入玉米秸秆的生物炭的重金属固定效果最好，Cu、Mn、Zn的固定态重金属浓度分别达到了96.17％、98.56％、93.83％。
[0028] 4.本发明的生物质和猪粪共水热生物炭实现了对畜禽粪便的无害化处理和资源化利用。
具体实施方式
[0029]下面将结合实施方式对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0030]实施例1水热生物炭的制备
[0031](1)将15g干燥的猪粪与去离子水以1：20的比例混合后加入水热反应釜中，密封后通入氮气10分钟，边搅拌边升温至炭化温度(分别设置为150℃、180℃、210℃、240℃)，升温速率为2℃/min，搅拌速率为300r/min，温度升至指定温度后保持炭化温度30min，取出反应釜，自然冷却至室温。打开反应釜的气阀，将气体产物收集。之后将水热反应后的悬浮液真空抽滤，得到固体和液体产物。所得固体产物在105℃干燥箱中烘干12h，得到猪粪水热生物炭。重复试验3组，温度偏差控制在3℃之内。
[0032](2)将步骤(1)中的炭化温度设置为210℃，分别以1：1的质量比在反应釜中的猪粪里添加玉米秸秆、烟杆、油茶壳、松子壳4种不同的生物质(过60目筛网)，搅拌均匀，进行水热炭化。炭化30min后，取出反应釜自然冷却至室温。打开反应釜的气阀，将气体产物收集。之后将水热反应后的悬浮液真空抽滤得到固体和液体产物。所得固体产物在105℃干燥箱中烘干12h，得到生物质和猪粪共水热生物炭。重复试验3组，温度偏差控制在3℃之内。[0033]表1三态产率
[0034]原料温度(℃)pH生物炭产率液体产率气体产率猪粪150760.00％25.00％15.00％
猪粪180741.73％41.27％17.00％
猪粪210740.07％23.40％36.53％
猪粪240734.73％25.33％39.93％
猪粪+玉米秸秆210748.20％21.13％30.67％
猪粪+烟秆210749.13％21.07％29.80％
猪粪+油茶壳210740.73％46.07％13.20％
猪粪+松子壳210750.80％41.00％8.20％
猪粪210135.20％34.40％30.40％
猪粪210444.53％35.40％20.07％
猪粪2101043.93％32.33％23.73％
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