一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法及其應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種中藥渣水熱生物炭的制備方法與應用，包括以下步驟：采用廢棄物中藥渣作為原料，通過預處理、酸洗、與摻雜催化劑的水介質(zhì)混合、水熱炭化、干燥及篩分將轉(zhuǎn)化為中藥渣水熱生物炭，制備方法簡單易操作，反應過程溫和無污染、制備的水熱生物炭成本低廉且性能良好，應用于土壤改良和重金屬污染修復，拓展了廢棄物中藥渣的利用途徑，實現(xiàn)了其減量化和高附加值資源化利用，具有節(jié)能減排，低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，適于大規(guī)模生產(chǎn)和工程化應用。
【專利說明】
一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法及其應用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用廢棄物中藥渣制備水熱生物炭的方法并應用于壤改良和重 金屬污染修復，屬于廢棄物綜合利用和環(huán)保領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是中藥生產(chǎn)和使用大國，中藥在滿足人們對健康的需求和產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益 的同時，也產(chǎn)生了大量的中藥剩渣，據(jù)統(tǒng)計全國僅植物類藥渣年排放量就高達65萬多噸， 藥渣處理多采用堆放、填埋和焚燒等方式，不僅處理成本高，占用大量土地，也造成資源的 浪費和環(huán)境的嚴重污染，如何有效處置廢棄物中藥渣，實現(xiàn)其減量化和資源化，成為了中藥 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。
[0003] 事實上，中藥渣主要是由纖維素，半纖維素和木質(zhì)素等高炭生物質(zhì)構(gòu)成，并且富含 氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，具備資源化回收制炭的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，中藥渣一般為濕物料，含水 量較高(最高可達70 %以上），通過高溫裂解制炭方法需要將原料烘干，裂解過程復雜，能耗 和成本偏高并且存在二次污染等問題，限制了該技術(shù)的廣泛應用。
[0004] 水熱炭化方法是以水為反應介質(zhì)，自然界的生物質(zhì)為原料，在密閉的反應器內(nèi)通 過加熱使生物質(zhì)發(fā)生炭化，該技術(shù)不受原料含水率的限制，制備過程簡單易操作，反應條 件溫和，能耗低，制備成本低廉，更適合資源化回收中藥渣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種利用廢棄物中藥渣制備水熱生物炭的方法并應用于土壤改良 和重金屬污染修復，實現(xiàn)了中藥渣資源的綜合利用和環(huán)境保護的多重效益，適宜于大規(guī)模 生產(chǎn)和應用。
[0006] 所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于包括以下步驟： 1)將原料中藥渣進行預處理，清除中藥渣中包含的雜質(zhì)，得優(yōu)化中藥渣； 2 )采用HC1溶液或者H3P〇4溶液對優(yōu)化中藥渣進行酸洗浸漬處理； 3) 浸漬后的中藥渣采用粉碎機破碎，得粉末狀中藥渣； 4) 將粉末狀中藥渣與去離子水混合，固液混合比例為中藥渣:去離子水=1 kg: 10-20 L，去離子水中摻雜加入金屬鹽催化劑，摻雜比例為金屬鹽催化劑:去離子水=1 g:10-25 L; 5) 將固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應釜內(nèi)進行水熱炭化處理； 6) 水熱反應結(jié)束后冷卻至50°C以下，真空栗過濾得到含水率為20-50 wt%的產(chǎn)物； 7) 將產(chǎn)物進行干燥處理，干燥后粉碎篩分，得粒徑為l-3mm中藥渣水熱生物炭。
[0007] 所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟2)中：HC1溶液或 者H3P〇4溶液的濃度為1-3 mol/L，與中藥渣浸漬比例為3-1L: 100g，浸漬時間為1-5小時，浸 漬過程中攪拌器以80-100轉(zhuǎn)/分鐘進行混勻，浸漬完成后靜置，收集中藥渣，上清液回收再 利用。
[0008] 所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟4)中：金屬鹽催 化劑為FeCl3、ZnCl2、Cu(N03)2中的一種或一種以上金屬鹽的組合，各金屬鹽均為等質(zhì)量混 合。
[0009] 所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟5)中：水熱炭化 溫度為150-280 °C，反應時間為5-24小時。
[0010] 所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟7)中：干燥處理 過程中首先通過曬干和風干過程將產(chǎn)物的含水率降至20 wt%以下，然后置于100-120 °C烘 箱進行干燥處理，干燥時間為1-5小時，干燥后的產(chǎn)物含水率低于5 wt%。
[0011] 所述任一方法所制備的中藥渣水熱生物炭在土壤改良和土壤重金屬污染修復中 的應用，所述中藥渣水熱生物炭與土壤的摻雜比例為5-15%。
[0012] 本發(fā)明具有以下有益效果： 1.本發(fā)明中藥渣水熱生物炭制備材料為廢棄物中藥渣，成本低廉，來源廣泛，既大幅降 低了制備的成本，更有效解決了中藥渣減量化和高附加值資源化的難題，具有良好的環(huán)境 和經(jīng)濟效益。
[0013] 2.本發(fā)明的水熱炭化技術(shù)簡單易操作，反應條件溫和，金屬鹽摻雜提高了水熱炭 化性能和產(chǎn)率，具有低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)特點。
[0014] 3..本發(fā)明制備的中藥渣水熱生物炭應用于土壤改良和重金屬污染修復，有效提 高了土壤肥力，減少重金屬生物可利用性，增加植物產(chǎn)量，適宜于大規(guī)模應用和推廣。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明制備的中藥渣水熱生物炭吸附重金屬Pb2+吸附量與吸附時間的關(guān)系 圖。
【具體實施方式】
[0016] 為了更好地闡述本項發(fā)明，結(jié)合實施例進一步解釋本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi) 容不僅局限于下面的實施例。
[0017] 實施例！ 將原料廢棄物中藥渣進行預處理，清除其中包含的雜質(zhì)，采用3 mol/L的HC1溶液進行 酸洗浸漬處理，HC1溶液與中藥渣浸漬比例為2L: 100g，浸漬時間為3小時，浸漬過程中攪拌 器以100轉(zhuǎn)/分鐘進行混勻，浸漬完成后靜置1小時，收集中藥渣并回收上清液重復利用，浸 漬后的中藥渣采用粉碎機破碎至粉末狀，將粉末狀中藥渣與去離子水混合，固液混合比例 為1 kg:15 L，固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應釜內(nèi)進行水熱炭化處理，水熱炭化溫度為200 °C，反應時間為12小時，水熱反應結(jié)束后緩慢冷卻至反應器內(nèi)溫度降至50 °C以下，真空栗 過濾得到含水率為20-50 wt%的產(chǎn)物，通過曬干和風干將產(chǎn)物的含水率降至20 wt%以下，然 后置于110 °C烘箱內(nèi)干燥處理，時間4小時，將產(chǎn)物含水率降至5 wt%以下，粉碎機粉碎并篩 分至1-5 mm，得到中藥渣水熱生物炭1。
[0018] 實施例2 將原料廢棄物中藥渣進行預處理，清除其中包含的雜質(zhì)，采用3 mol/L的HC1溶液進行 酸洗浸漬處理，HC1溶液與中藥渣浸漬比例為2L: 100g，浸漬時間為3小時，浸漬過程中攪拌 器以100轉(zhuǎn)/分鐘進行混勻，浸漬完成后靜置1小時，收集中藥渣并回收上清液重復利用，浸 漬后的中藥渣采用粉碎機破碎至粉末狀，將粉末狀中藥渣與去離子水混合，固液混合比例 為1 kg:15 L，去離子水中摻雜催化劑金屬鹽FeCl3，F(xiàn)eCl3與去離子水摻雜比例為1 g:15 L， 固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應釜內(nèi)進行水熱炭化處理，水熱炭化溫度為200 °C，反應時間 為12小時，水熱反應結(jié)束后緩慢冷卻至反應器內(nèi)溫度降至50 °C以下，真空栗過濾得到含水 率約為20-50 wt%的產(chǎn)物，通過曬干和風干將產(chǎn)物的含水率降至20 wt%以下，然后置于110 °(：烘箱內(nèi)干燥處理，烘箱干燥時間為4小時，將產(chǎn)物含水率降至5 wt%以下，粉碎機粉碎并篩 分至1-5 mm，得到中藥渣水熱生物炭2。
[0019] 實施例3 將原料廢棄物中藥渣進行預處理，清除其中包含的雜質(zhì)，采用3 mol/L的HC1溶液進行 酸洗浸漬處理，HC1溶液與中藥渣浸漬比例為2L: 1 g，浸漬時間為3小時，浸漬過程中攪拌器 以100轉(zhuǎn)/分鐘進行混勻，浸漬完成后靜置1小時，收集中藥渣并回收上清液重復利用，浸漬 后的中藥渣采用粉碎機破碎至粉末狀，粉末中藥渣與去離子水混合，固液混合比例為1 kg: 15 L，去離子水中摻雜催化劑金屬鹽FeCl3和ZnCl2混合物，其中FeCl3和ZnCl 2的混合質(zhì)量比 為1:1，金屬鹽混合物與去離子水摻雜比例為1 g: 15 L，固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應釜內(nèi) 進行水熱炭化處理，水熱炭化溫度為200 °C，反應時間為12小時，水熱反應結(jié)束后緩慢冷卻 至反應器內(nèi)溫度降至50 °C以下，真空栗過濾得到含水率為20-50 wt%的產(chǎn)物，風干將產(chǎn)物 的含水率降至20 wt%以下，然后置于110 °C烘箱內(nèi)干燥處理，干燥時間為4小時，將產(chǎn)物含 水率降至5 wt%以下，粉碎機粉碎并篩分至1-5 _，得到中藥渣水熱生物炭3。
[0020] 實施例4 將實施例1制備的中藥渣水熱生物炭1、實施例2制備的中藥渣水熱生物炭2，實施例3制 備的中藥渣水熱生物炭3應用于土壤改良，其與土壤摻雜比例均為5 %。
[0021] 表1中藥渣水熱生物炭應用于土壤改良的性能
由表1可知，相比于原始土壤，添加制備的中藥渣水熱生物炭均有效地降低了土壤容 重，提升了土壤透氣性、持水和保肥能力；同時添加中藥渣水熱生物炭顯著提高了土壤肥 力，淋溶試驗表明氮磷肥不易流失，而且中藥渣本身富含氮、磷、鉀元素，在緩慢的分解過程 不斷釋放營養(yǎng)元素，補充流失的土壤肥力。特別是添加催化劑后制備的中藥渣水熱生物炭 提高土壤各方面性能均優(yōu)于未添加處理，而且其產(chǎn)率為50-60 %，顯著高于未添加的40 %左 右，證實改良的水熱炭化技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。
[0022]上述結(jié)果表明制備的中藥渣水熱生物炭是良好的土壤改良劑，適宜于土壤改良的 實際應用。
[0023] 實施例5 將實施例1制備的中藥渣水熱生物炭1、實施例2制備的中藥渣水熱生物炭2，實施例3制 備的中藥渣水熱生物炭3應用于提升作物的生物量，其與土壤摻雜比例均為5 %。
[0024] 表2中藥渣水熱生物炭對作物生物量的影響
由表2可知，相比于原始土壤，添加制備的中藥渣水熱生物炭顯著的提高了辣椒和番茄 的產(chǎn)量，特別是摻雜了催化劑的中藥渣水熱生物炭2和中藥渣水熱生物炭3,提高幅度約為 100 %，因此，制備的中藥渣水熱生物炭在改良土壤性質(zhì)的同時也增加了植物產(chǎn)量，具有良 好的實際應用價值。
[0025] 實施例6 制備的中藥渣水熱生物炭應用于吸附重金屬Pb2+，其中Pb2+初始濃度均為120 mg/L。由 圖1可知，制備的中藥渣水熱生物炭均具有良好的重金屬Pb2+吸附能力，吸附速度較快，60分 鐘后吸附速率放緩，基本達到吸附飽和，飽和吸附量分別為43.5 mg/g (中藥渣水熱生物炭 3)，40.5 11^/^(中藥渣水熱生物炭2)，32.2 11^/^(中藥渣水熱生物炭1)，催化劑金屬鹽的 摻雜提升了中藥渣水熱生物炭的吸附性能，有利于生物炭在土壤重金屬污染修復方面的應 用。
[0026] 實施例7 制備的中藥渣水熱生物炭應用于重金屬Pb2+污染的土壤修復，其與土壤摻雜比例均為 10 %〇
[0027] 表3含400 mg/kg Pb2+的重金屬污染土壤培養(yǎng)的植物體內(nèi)的Pb2+含量
由表3可知，通過盆栽試驗，在土壤中人為添加濃度為400 mg/kg重金屬Pb2+污染，添加 中藥渣水熱生物炭大幅降低了植物體內(nèi)重金屬濃度，地上部分減少了70 %左右，地下根部 下降幅度達到80 %左右，表明中藥渣水熱生物炭可以有效地減少植物對土壤中Pb2+的可獲 得性，降低了重金屬污染對土壤和植被的危害，成功的應用于土壤重金屬污染修復，適用于 大規(guī)?；寥佬迯凸こ獭?br>【主權(quán)項】
1. 一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將原料中藥渣進行預處理，清除中藥渣中包含的雜質(zhì)，得優(yōu)化中藥渣； 2) 采用HC1溶液或者H3P〇4溶液對優(yōu)化后中藥渣進行酸洗浸漬處理； 3 )將浸漬后的中藥渣采用粉碎機破碎，得粉末狀中藥渣； 4) 將粉末狀中藥渣與去離子水混合，固液混合比例為中藥渣：去離子水=1 kg :10-20 L，去離子水中摻雜加入金屬鹽催化劑，摻雜比例為金屬鹽催化劑:去離子水=1 g:10-25 L; 5) 將固液混合物轉(zhuǎn)入密閉高壓反應釜內(nèi)進行水熱炭化處理； 6) 水熱反應結(jié)束后冷卻至50°C以下，真空栗過濾得到含水率為20-50 wt%的產(chǎn)物； 7) 將產(chǎn)物進行干燥處理，干燥后粉碎篩分，得粒徑為l-3mm中藥渣水熱生物炭。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟2) 中：HC1溶液或者H3P〇4溶液的濃度為1-3 mol/L，與中藥渣浸漬比例為3-1L: 100g，浸漬時間 為1-5小時，浸漬過程中攪拌器以80-100轉(zhuǎn)/分鐘進行混勻，浸漬完成后靜置，收集中藥渣， 上清液回收再利用。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟4) 中：金屬鹽催化劑為FeCl3、ZnCl 2、Mn(N03)2中一種以上金屬鹽的組合，各金屬鹽均為等質(zhì)量 混合。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟5) 中：水熱炭化溫度為150-280 °C，反應時間為5-24小時。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用中藥渣制備水熱生物炭的方法，其特征在于步驟7) 中：干燥處理過程中首先通過曬干和風干過程將產(chǎn)物的含水率降至20 wt%以下，然后置于 100-120 °C烘箱進行干燥處理，干燥時間為1-5小時，干燥后的產(chǎn)物含水率低于5 wt%。6. -種根據(jù)權(quán)利要求1-5所述任一方法所制備的中藥渣水熱生物炭在土壤改良和土壤 重金屬污染修復中的應用。
【文檔編號】C10B53/02GK106047384SQ201610385937
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】莊海峰, 汪華, 單勝道, 張敏, 洪孝挺, 柴彥君
【申請人】浙江科技學院