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水热炭化技术及其在废水处理中的应用研究进
展
生物质作为一种可再生资源,不仅来源比较广泛而且产量巨
大,可以有效缓解目前面临的能源枯竭危机。同时,合理地资源化利
用废弃生物质还能削减焚烧、填埋等传统处理方式对环境带来的污染。
其中,采纳废弃生物质制备生物炭是其资源化利用的有效方法之一。
但传统的生物质炭化方法,需要对含水率高的生物质进行干燥处理,
能耗较高,为此越来越多的学者将留意力转移到以水热炭化的方法制
备碳质材料。水热炭化是根据肯定的比例将生物质与水混合后置于反
应器内,在肯定的温度、时间和压力条件下,以产生固体产物为目标
的水热反应。它是经过一系列简单的热化学反应,最终将有机物质转
化为高含碳产物的过程,产物被称为水热炭。
随着社会经济的进展,以重金属离子、有机物、氮磷氟阴离子为代
表的污染物不断随废水进入水体环境,对水生环境和人类健康构成严
峻威逼。采矿、皮革等行业产生的废水中含有汞、铬、镉、锌、铅、
铜、镍等重金属离子,其会在水体中长期存在,并会通过食物链在生
物体内富集;水体中含有的多环芳烃、卤代烃、有机农药等有机污染
物成分简单且具有肯定的毒性;氮磷污染物会造成水体富养分化,同
时矿物冶炼加工、肥料的生产都会对水体产生氟污染,这些污染物的
存在均会严峻危害生态环境。
因此,对以重金属、有机物、阴离子等为代表的水体主要污染物的
脱除已成为水污染治理讨论的重点。吸附法由于具有操作简洁、成本
—1—
效益高等优势,在废水处理领域应用广泛。其中,吸附剂是吸附法得
以推广应用的关键。讨论发觉,可以将农业秸秆、生活垃圾、污泥、
动物粪便等废弃生物质经过不同的热化学方法制成生物炭,且所得的
生物炭具有孔隙发达、理化性质稳定和官能团丰富等优点,是良好的
吸附材料。其中,水热炭又被认为是具有进展潜力的碳质材料,并被
作为绿色吸附材料广泛应用于废水处理领域。
笔者对水热炭的制备工艺和主要工艺参数对水热炭制备的影响进
行了介绍,着重总结了水热炭对水体重金属、有机污染物和阴离子污
染物的吸附讨论进展,并对其将来讨论方向进行了展望,以期为水热
炭今后的讨论和推广应用供应借鉴。
1水热炭化工艺
水热炭化是在亚临界水环境下进行的且需要肯定的温度、压力和时
间的反应。水热炭化中的水可以作为能量传递的介质,生物质在脱水
脱羧过程中通过产生的能量降低生物质中的O和H的含量。
生物质组分简单,其水热炭化过程基本上都要经受大分子分解为小
分子,然后小分子再重新聚合为大分子2个阶段,在这个过程中涉及
水解、脱水、脱羧、缩聚及芳构化等步骤。但这些步骤并不是一个连
续反应的过程,而是由不同反应途径组成的一个平行结构。
宫磊等讨论了瓜子皮、茶叶、树叶和核桃皮水热炭化过程的机理,
结果发觉,水热炭化过程使产物中氢、氧的含量明显降低,而碳含量
提高了6%~10%,这主要是由于脱水以及去羰基作用所致。
李海云等讨论了以硫酸为催化剂对蔗糖碳源进行水热炭化的过程,
—2—
结果表明,其成碳机理是通过蔗糖脱水、缩聚等反应实现的。水热炭
化过程不仅是脱水、脱羧的过程,其还可以转变水热炭表面的官能团
组成。水热炭表面的含氧官能团来源包括原料不完全炭化的保留和水
热反应的重新形成。由于水热炭化的详细反应比较简单,还需对其反
应机理进行进一步讨论。
2工艺参数对水热炭化的影响
工艺参数会影响制备的水热炭性能,因此,为制备出性能优良的水
热炭,对制备工艺参数进行讨论特别必要。水热温度、水热时间和固
液比是影响水热炭化的3个主要工艺参数。
表1归纳了工艺参数对几种典型生物质制备水热炭影响的讨论结
果。
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2.1水热温度
温度是水热炭化过程中的主要影响参数,也是掌握全部反应的核
心参数。
温度对水热炭的产率、比表面积、表面官能团都有很大的影响,从
而影响制备的水热炭的吸附效果。
XiaojuanZHANG等对桉树木屑在4种不同温度下进行水热炭化,
结果发觉,在较高的温度下,生物炭的产量反而下降。
陈丽媛等通过讨论也证明白低温更有利于提高水热炭的产率;对污
泥水热炭的表征结果表明,随着温度的增加(16
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