沼渣制备生物炭吸附沼液中氨氮

以生物产甲烷的副产物沼渣为原料,用5种不同的方法通过化学活化法制备生物炭,实验结果表明5种生物炭对沼液中的氨氮都有吸附效果,而氢氧化钾活化制备的生物炭(KOH-CC)对氨氮的吸附效果相对较好,吸附剂对氨氮的吸附符合准二级吸附动力学,吸附等温线表现为Langmuir型,通过拟合计算最大吸附容量能达到120 mg·g-1。对生物炭进行BET、扫描电镜及红外等表征,分析了KOH-CC生物炭吸附氨氮过程的作用机理。     

城市污泥厌氧发酵残渣热解制备生物炭及其氮磷吸附研究

以污泥发酵前后的残渣热解制备生物炭,考察发酵前后污泥生物炭的物理性能及其对氨氮、总磷的吸附能力。实验结果表明污泥发酵有利于生物炭孔隙结构的发展,污泥发酵后制备的生物炭(FSBC)比表面积、孔体积均高于未发酵污泥制备的生物炭(SBC)。吸附实验结果表明,对于磷酸盐的吸附,3种材料吸附能力大小为 FSBC > SBC > CAC,对于氨氮的吸附,吸附能力顺序为CAC > FSBC > SBC,污泥发酵后制备的生物炭对氨氮和总磷的吸附能力较未发酵污泥生物炭明显增强。对于实际废水中氮、磷的吸附,其去除率顺序均为CAC > FSBC > SBC,其中CAC和FSBC对总磷的去除率分别为31%和27%,对氨氮的去除率则分别为7%和4%。FSBC与CAC对总磷和氨氮的去除率相差不大。FSBC作为污泥资源化得到的低成本吸附剂,有广阔的研究前景。     

盐生植物生物炭吸附海水养殖废水氨氮和 COD的效果分析及其资源化利用研究

对比不同类型盐生植物生物炭对海水养殖废水中氨氮及COD的修复效果，确定最优类型生物炭继而进行资源化利用研究，以期为盐生植物资源化利用及海洋养殖废水修复提供理论依据。试验采用3类盐生植物共6种，在300℃下裂解制备成生物炭，通过表征分析海水养殖废水中氨氮及COD吸附效果，筛选出最优盐生植物类型，进行盆栽试验对生物炭残渣资源化利用可行性分析。结果表明：不同盐生植物生物炭均对海水养殖废水中氨氮及COD均存在一定的修复效果，其中泌盐盐生植物生物炭对氨氮和COD的去除率最显著可达67%和43.16%,且产率最高为68%。盆栽试验中，生物炭残渣使土壤养分显著增加，能够促进种子萌发。综上，投加量为3 g/100 mL的泌盐植物生物炭不仅可以实现海水养殖废水中氨氮及COD高效去除，同时对盐生植物的资源化利用提供了新的思路，为绿色高效海水养殖业的发展提供了技术支持。     

生物炭吸附法处理氨氮废水的研究进展

综述了生物炭吸附处理氨氮废水的研究现状,介绍了物理改性、酸碱改性、金属离子改性和生物改性生物炭,光催化与生物炭联合技术,生物炭固定化微生物技术,生物炭三维电极技术在氨氮废水处理领域的应用进展,详细地介绍了各种方法对氨氮废水的处理效果及其优缺点。展望了生物炭吸附法在氨氮废水处理领域未来的研究重点和发展趋势。     

改性玉米芯生物炭对废水中铜和氨氮的吸附

用KMnO_4改性玉米芯生物炭,并用改性生物炭吸附水中的Cu~(2+)和氨氮。结果表明:改性后,生物炭中的—OH基团数量增多且其表面有新生态MnO_2生成,吸附能力增强;生物炭吸附Cu~(2+)、氨氮的最佳pH为7;共存Na~+不影响生物炭对Cu~(2+)的吸附,但显著影响对氨氮的吸附。生物炭对Cu~(2+)、氨氮的吸附分别遵循准二级、一级动力学模型。Freundlich模型能更好地模拟生物炭对Cu~(2+)的吸附行为,Langmuir模型能更好地模拟生物炭对氨氮的吸附行为。     

生物炭负载纳米零价铁去除硝酸盐作用的研究

为探究生物炭负载纳米零价铁（nZVI/BC）去除水中硝酸盐的机制及其影响因素,采用小麦秸秆为载体制备吸附材料。通过XRD和SEM的表征分析知：铁被成功的负载在生物炭表面,生物炭作为载体分散了纳米零价铁颗粒,并减少了它们的团聚。吸附材料对硝酸盐去除效果的实验研究表明：负载纳米零价铁的小麦秸秆生物炭对硝酸盐的去除效果可达到100%,nZVI/BC氮气选择性为21%;铁炭比（w）为1:2时硝酸盐的去除效果最佳;在偏酸性条件下,氨氮选择性更高,对硝酸盐的去除效果更好;硝酸盐和氨氮去除率会随着硝酸盐初始浓度的升高而逐渐下降。     

养殖底泥制备腐植酸和生物炭及其氨氮吸附性能研究

以养殖底泥为原料,分别采用碱提酸解法和水热炭化法制备腐植酸和生物炭吸附剂,并以养殖水体中氨氮作为目标污染物,研究腐植酸和生物炭的氨氮吸附性能。结果表明:腐植酸和生物炭产率分别为3.86%和13.46%(以底泥湿基计),比表面积分别为11.54 m~2·g~(-1)和24.76 m~2·g~(-1)。准二级动力学方程能更好地拟合腐植酸和生物炭吸附氨氮的动力学特征。当腐植酸加量为2.00 g·L~(-1)、生物炭加量为3.00 g·L~(-1)时,其对氨氮的平衡吸附量增幅趋缓;当氨氮初始浓度分别增至150 mg·L~(-1)和200 mg·L~(-1)时,腐植酸和生物炭对氨氮的平衡吸附量增幅趋缓;生物炭比腐植酸表现出更强的吸附能力。该研究为养殖底泥的资源化利用及养殖废水的处理提供了参考。     

不同生物炭对水中吡虫啉、噻虫嗪、呋虫胺的吸附研究

为探究不同生物炭对新烟碱类农药的吸附性能,寻求最佳的新烟碱类农药吸附材料,选取玉米芯、玉米秸秆、杨树枝、小麦秸秆、梧桐枝、花生壳6种生物质为原料,在300、500和700℃下制备得到18种生物炭。通过比较不同生物炭对吡虫啉、噻虫嗪、呋虫胺3种新烟碱类农药的吸附能力,筛选出了吸附效果较佳的生物炭,分别为700℃制备的玉米秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、杨树枝生物炭;吸附动力学和等温吸附研究表明,3种筛选生物炭对吡虫啉、噻虫嗪、呋虫胺的吸附过程符合准二级动力学模型、Langmuir模型和Freundlich模型。     

改性玉米秸秆生物炭对化粪池出水中氨氮的吸附

生物炭是通过生物材料热解制备的富含炭的固体产品。实验以玉米秸秆生物炭为原料,在使用碱溶液进行预处理后,用KMnO₄、H₂O₂和HNO₃分别改性,得到三种不同的改性生物炭。通过SEM、FTIR和XPS等材料学方法表征后发现改性后的生物炭表面出现明显的孔穴结构且比表面积明显增加。此外,改性后的生物炭具有更丰富的表面官能团和更多的不饱和键,氨氮以NH4+形式与表面官能团结合。吸附性能实验显示,改性后的生物炭可在短时间内达到吸附平衡,最大平衡吸附量可达23.80 mg/g,吸附能力明显提升。将改性生物炭应用于粪污分离液的结果表明,改性玉米秸秆生物炭可以有效去除其中的氨氮,最大去除率可达50.6%。本研究为开展农业废弃物的回收与资源化利用提供了理论支撑。     

一种磁性生物炭材料对水中Cu~(2+)的吸附机理研究

制备了高锰酸钾改性的生物炭吸附材料,并研究其对于重金属离子Cu~(2+)的吸附效果。扫描电镜、X荧光光谱及X射线衍射分析结果表明,氧化锰颗粒存在生物炭的表面,从而增加了吸附效果。高锰酸钾改性生物炭对铜离子的最大吸附量为97.38mg/g,远大于普通生物炭的26.21mg/g。为了使生物炭从水中分离,制备了磁性生物炭材料,其对铜离子的最大吸附量可达到96.25mg/g,说明磁化过程对吸附材料的吸附效果影响较小。     

利用外源氢气纯化升级沼气的研究进展

沼气发酵过程存在产气速率低和甲烷浓度低两个普遍问题。从甲烷生成的反应机理来看,如果提供充足的氢气,能够把沼气中的CO₂成分转化为CH₄,既提高了甲烷的产量,又提高了甲烷的浓度。介绍了最近国内外在这个方向上的探索性研究成果。实验表明,利用外源氢气确实可以纯化升级沼气,在一定条件下还可以达到生物甲烷的品质（即CH₄浓度高于95%）。分析了这项技术实用化需要解决的两个关键问题：强化H₂气液传质及获取廉价氢源。最后,对这个方向进行了展望,并提出了一个光电催化产氢与厌氧发酵产甲烷耦合的设想方案。     

外源H2对沼气发酵体系的影响

以水稻秸秆为原料,在30 L搅拌发酵罐中55℃下进行厌氧发酵产沼气实验,探索外源H₂的连续导入对发酵过程的影响。结果表明：外源H₂的导入可以实现沼气的原位提纯,CH₄相对平均体积分数从69.6%可提高到94.4%（搅拌速度100 r·min^-1）,同时CO₂相对平均体积分数从30.4%降低至5.6%（搅拌速度100 r·min^-1）;对比无搅拌的小试装置,搅拌速度为50 r·min^-1时,搅拌可将外源H₂的利用率从91.0%提高到93.1%,转化率从85.0%提高到96.8%;外源氢的导入可明显促进丙酸、丁酸和异丁酸的降解,可有效地避免发酵过程中VFAs的累积问题,同时搅拌的加强对发酵体系乙酸分解产CH₄和沼液中CO₂的消耗也有明显的促进作用,最终使得沼液的pH略有上升;外源H₂的通入与搅拌改变了发酵系统内的微生物群落组成比例,但并未对系统内的产CH₄微生物群落结构产生明显的影响。     

Component analysis and risk assessment of biogas slurry from biogas plants

Massive amounts of biogas slurry are produced due to the development of biogas plants. The pollution features and the risk of biogas slurry were fully evaluated in this work. Thirty-one biogas slurry samples were collected from sixteen different cities and five different raw materials biogas plants (e.g. cattle manure, swine manure, straw-manure mixture, kitchen waste and chicken manure). The chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH₄⁺ - N), anions (e.g. Cl^-,SO₄^2-, NO₃^- and PO₄^-3), antibiotics (e.g. sulphonamides, quinolones, β₂-receptor agonists, macrolides, tetracyclines and crystal violet) and heavy metals (e.g. Cu, Cd, As, Cr, Hg, Zn and Pb) contents from these biogas slurry samples were systematically investigated. On this basis, risk assessment of biogas slurry was also performed. The concentrations of COD, NH₄⁺ and PO₄^-3 in biogas slurry samples with chicken manure as raw material were significantly higher than those of other raw materials. Therefore, the biogas slurry from chicken manure raw material demonstrated the most serious eutrophication threat. The antibiotic contents in biogas slurry samples from swine manure were the highest among five raw materials, mostly sulphonamides, quinolones and tetracyclines. Biogas slurry revealed particularly serious arsenic contamination and moderate potential ecological risk. The quadratic polynomial stepwise regression model can quantitatively describe the correlation among NH₄⁺ - N, PO₄^-3 and heavy metals concentration of biogas slurry. This work demonstrated a universal potential threat from biogas slurry that can provide supporting data and theoretical basis for harmless treatment and reuse of biogas slurry.     

The combination of 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluorborate with TBAB or THF on CO2 hydrate formation and CH4 separation from biogas

[C₈min] BF₄ was used in this work to combine with TBAB or THF for the investigation about thermodynamic and kinetic additives on CO₂ and CH₄/CO₂ hydrates. The results show that[C₈min] BF₄ has the inhibition effect on the equilibrium of hydrate formation. About the kinetic study,[C₈min] BF₄ could improve the rate of CO₂ hydrate formation and increase the gas uptake in hydrate phase. At the same time, the combination of TBAB and[C₈min] BF₄ could increase the mole friction of CH₄ in residual gas comparing with the data in THF solution. CH₄ separation efficiency was strongly enhanced. Since that the size of CO₂ and CH₄ molecules are similar, CH₄ and CO₂ could form the similar hydrate, so the recovery of CH₄ from biogas decreases lightly. The CH₄ content in biogas can purified from 67 mol% to 77 mol% after one-stage hydrate formation. In addition, the combination of THF and[C₈min] BF₄ do not have obvious promoting effect on CH₄ separation comparing with the gas separation results in pure THF solution.     

撞击流式反应器内水合物法分离沼气中CO2研究

实验考察了撞击流式反应釜内水合物法分离沼气中CO₂的特性。选取纯水和十二烷基硫酸钠（SDS）两个不同的体系,考察了水合物生成过程中压力、温度、撞击强度的影响。实验结果表明在纯水体系和SDS体系下压力的升高均有利于水合物的快速生成,但并不利于沼气中的二氧化碳捕集;实验通过改变撞击流式反应器的撞击强度发现,当撞击强度为0.128时,CO₂分离因子(S.F.)在纯水和SDS两种体系下均达到最大,纯水体系下S.F.的最大值为138.9,SDS体系下S.F.的最大值为64.5;实验结果表明添加剂SDS可以促进水合物的生成,最适宜的浓度为600 mg/L,此时耗气量、CO₂水合率S.Fr.(CO₂)和CH₄水合率S.Fr.(CH₄)达到最大,但SDS对CH₄水合物生成过程的促进作用大于CO₂水合物,反而不利于CO₂的分离,降低CO₂的分离因子。     

油水乳液分离沼气实验研究

研究了柴油-水乳液体系在水合物生成条件下对沼气（CO₂/CH₄）中CO₂的捕集能力。阻聚剂Span20被加入到乳液中以分散水滴和水合物颗粒。综合考虑了温度、原料气组成、压力和乳液含水率对柴油-水乳液体系分离能力的影响。从实验结果可以看出,吸收-水合耦合分离效果明显优于单独的吸收分离,且分离平衡后,浆液中水合物分散均匀,流动性良好。乳液体系分离能力在一定范围内随着温度降低和含水率的增加而增强。综合考虑乳液分离能力和流动特性表明,温度270.15～272.15 K,体系含水率 20%～25%（vol）和初始推动力为3.2 MPa左右时为最合适的分离条件,在对应条件下经过两级模拟分离,气相中CO₂浓度能从31%（mol）降到近10%（mol）,超过87%（mol）的CO₂被水合物浆液捕集。     

厌氧发酵制备生物燃气过程的物质与能量转化效率

以稻壳为原料,采用批式中温(35℃±1℃)厌氧发酵工艺研究了稻壳厌氧发酵制备生物燃气的产气性能,在此基础上结合物质流分析方法分析了发酵过程中C、N元素的分布情况以及物质与能量的转化效率。研究结果表明稻壳厌氧发酵制备生物燃气过程的产气率和产CH₄率分别为297.41和164.40 ml·(gVS_RH)^-1,平均CH₄含量为55.28%;C元素流向分布:30.7%生物燃气,6.4%沼液,62.9%沼渣;N元素在剩余物中的流向分布:63.2%沼液,36.8%沼渣;稻壳厌氧发酵制备生物燃气的物质转化效率和能量转化效率分别为30.0%和33.7%。本研究为农业加工废弃物的资源管理和能源化利用提供了理论依据。     

水合物法提纯沼气技术研究进展

沼气是一种重要的可再生能源,对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理,本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术--水合物分离技术。介绍了水合物分离技术的基本理论,调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系（CH₄/CO₂）的水合物分离技术研究进展,包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术,并对各种水合物分离促进技术进行了分析：相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础;合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件,促进水合物生成,增加储气效果和提高分离效率;机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成;添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积,对水合过程发挥促进作用;采用油/水乳液不但能够强化气液接触,而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性,具有良好工业应用前景。最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望,水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段,但随着研究的不断深入,该技术凭借操作条件温和,对原料气要求低,并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点,必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。     

淀粉基多孔碳材料的制备及其吸附CO2/CH4性能

以淀粉为原料,使用水热法将其碳化后用活化剂KOH对其活化,制备了淀粉基多孔碳材料,并对其进行结构表征和CO₂/CH₄的吸附性能测试,计算吸附热以及材料对CO₂/CH₄的吸附选择性,讨论了碳材料结构对其吸附性能的影响。结果表明：在制备过程中,随着活化剂KOH用量比例的增大,所制得的材料其比表面积和孔容增大,其孔径分布也就越宽。所制得的碳材料其比表面积可达2972 m²·g^-1。这些淀粉基多孔碳材料对水蒸气的吸附等温线呈现出Ⅳ类等温线。所制备材料对CO₂吸附容量主要取决于其孔径小于0.8 nm的累积孔容（Vd < 0.8 nm）。材料的超微孔的孔容越大,其对CO₂吸附容量也越大。所制备的C-KOH-1材料在101325 Pa和298 K条件下,对CO₂的吸附量达到4.2 mmol·g^-1,其对CO₂的吸附热明显高于其对CH₄吸附热,其对CO₂/CH₄吸附选择性为3.7～4.26,同时本文通过对材料的水蒸气吸附等温线进行测试,结果表明所得材料主要表现为中等憎水性,这对材料在实际工况的应用奠定了基础。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。