An investigation of drum granulation of post-pyrolysis washed biochar

Biochar, unwashed and washed with a solution of Triton and hydrogen peroxide, was wet drum granulated using molasses binder solutions. Unwashed biochar was very hydrophobic and granulation proceeded through forming liquid marbles and layering. Washing reduced the hydrophobicity of the biochar. The effectiveness of the wash depended on the biochar source; it significantly reduced the hydrophobicity of biochar from woodchips and moderately reduced the hydrophobicity of biochar from flower digestate. Therefore, washed biochar from woodchips was granulated using a hydrophilic mechanism, while washed biochar from digestate was granulated according to a combination mechanism of liquid marbles collapsing and then coalescing. The change in granulation mechanism produced stronger and denser granules with higher yields of granules in the 1–4 mm optimal size range. Washing and then granulating biochar created a product that could be further tailored for optimal soil amendment.     

热解温度对污泥生物炭稳定性及养分淋溶特性影响

以市政污泥为原料,在300、500、700 ℃ 条件下热解制备得到污泥生物炭。采用碱液吸收法测定生物炭在培养环境下的CO₂释放速率以表征其降解速率,并采用预测模型计算得到生物炭的半衰期。以去离子水为浸提剂考察了生物炭中可溶性养分含量及其淋溶特性。结果表明:在300~700℃范围内,较高温度下制备的生物炭降解缓慢,稳定性更强,可在自然环境中长期存在,具有更好的固碳效果;较低温度下制备的生物炭中水溶性氮、水溶性钾含量更高,但水溶性磷含量更低;生物炭中养分的淋溶效果与其可溶性养分含量一致,较低温度下制备的生物炭的淋溶液中水溶性氮、水溶性钾含量较高,水溶性磷含量较低。     

Pyrolysis shaker reactor for the production of biochar

Intermediate pyrolysis reactors are preferred for processes focused on the production of high-quality biochar. The main types are rotary drums, augers, and moving beds agitated with either grates or paddles. These reactors are usually operated in continuous mode, and are designed to provide a pure, homogeneous biochar product by ensuring near plug flow of the reacting particles. There is a need for laboratory reactors that can provide enough biochar for testing in applications such as soil amendment, fillers for concrete or polymers, coke substitution, or pollutant capture. The pyrolysis shaker reactor (PSR) is a new laboratory reactor that is inexpensive, provides good mixing and temperature control, is easy to operate and allows for rapid turnaround between runs. It provides a homogeneous biochar product. Its use was demonstrated with digestate from the anaerobic digestion of food waste. The rapid and thorough testing program made possible with the PSR indicated that this digestate should be pyrolyzed at 250°C to maximize the release of mineral from the biochar to water, and at 400°C to minimize the release of minerals. Its biochar would require post-treatment to be applied as a substitute for activated carbon.     

热解时间对污泥生物炭活化过硫酸盐的影响研究

污泥热解制备生物炭是一种污泥有效处理处置与资源化利用方法。通过控制热解时间,调控污泥生物炭表面的活性位点,改变过一硫酸盐（PMS）体系中的活性物种组成,可实现环丙沙星（CIP）的高效降解。研究发现,热解温度为700℃、热解时间为120 min时,污泥生物炭具有较高的PMS活化性能,对CIP的去除率近90%。机理探究表明,¹O₂在体系中发挥主要作用。C==O、吡咯氮和—OH位点有利于¹O₂产生,C—O、吡啶氮、晶格氧和Fe位点促进·OH和SO₄^·-释放,石墨氮可促进PMS活化产生SO₄^·-。     

废物资源化制备生物质炭及其应用的研究进展

生物质炭作为一种多功能性材料正逐步受到人们的广泛关注。本文综述了以废弃物为原料制备生物质炭,给出了制备生物质炭的主要工艺,并对生物质炭的主要物理化学性质如元素组成、碱度、表面特性和孔隙结构进行了介绍。然后对生物质炭在农业和环境领域中的应用做了相应介绍,例如用作土壤改良剂提高土壤肥力、增加碳固定、减少温室气体排放,作为一种高效吸附剂同时去处污水中重金属及有机污染物等。最后,对今后生物质炭的研究方向作出了展望,指出应继续研究尽快实现生物质炭的大量、高效、廉价生产,从原料和工艺方面着手进一步提高生物质炭的比表面积,使其成为活性炭的替代品,同时进一步研究对土壤的改良和修复、对农作物生长和产量的促进以及对温室气体的减排作用的机理,并提供大面积的长期的实验数据支持。     

市政污泥热解制备生物炭实验研究

生物炭是有机物质在缺氧或贫氧气氛下经热裂解过程产生的固体产物^[1]目前对生物炭的研究兴趣源于对亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的认识,亚马逊盆地黑土含有丰富的生物炭,多年耕种后,仍保持持久肥力^[2].研究表明,生物炭是稳定的碳载体,在土壤中可保持长达百年至千年之久,土壤中施用生物炭可提高土壤中有机碳以及腐殖质含量,从而提高土壤的养分吸持容量及持水容量^[3-4].     

水洗-烘焙联合预处理对稻壳微波热解产品特性的影响

预处理技术能提高生物质热解产物的品质。本文研究了水洗-烘焙联合预处理技术对稻壳微波热解的产物特性的影响,结果表明:水洗-烘焙联合预处理技术增加了固体产率,而减少了液体和气体的产率;联合预处理技术提高了稻壳微波热解气体产物的品质,气体产物中CO₂含量减少,CH₄和H₂的含量增加,气体产物的热值提高到13MJ/m³;联合预处理技术提高了稻壳微波热解液体产物的品质,增大了液体产物中苯酚类和糖类的含量,减少了液体产物中酸的含量,简化了液体产物的成分。     

乙酸锌改性稻壳生物炭电容及电吸附Cu2+性能

以稻壳为原料制备生物炭,利用不同浓度的乙酸锌对稻壳炭改性,制得产物分别命名为RHC和MRHC。通过SEM、BET、XRD对制备的生物炭理化特性进行表征。分析表明,改性炭孔隙结构丰富,比表面积较大,且锌以氧化物颗粒状存在于生物炭表面。将改性前后的稻壳生物炭制成电极,测试其电化学性能。结果表明,与未改性生物炭相比,改性后的炭电极比电容大大提高,电阻显著减小,循环性能和倍率性能均有提升。MRHC-0.3（乙酸锌浓度为0.3 mol/L时的改性生物炭）比表面积为495 m2/g,孔容为0.214 cm3/g,该电极在2 A/g下充放电2000次后,其电容保持率为92.16%。将MRHC-0.3电极用于电吸附Cu2+实验,发现在0.9 V,pH为5时吸附效果最好,吸附量为9.57 mg/g。在0.9 V,pH为5,Cu2+初始质量浓度为50 mg/L时,去除率可达63.82%。     

生物质炭改性微球去除化工废水中无机磷的性能研究

我国化工废水排放量巨大,其中含有的无机磷会导致淡水富营养化。选用来源广泛且环境友好的海藻酸钠为载体,微波一步热解活化法制得的高比表面积甘蔗渣生物炭为添加剂,氯化铁溶液为交联剂,通过溶胶凝胶法和包埋法制备了SA-Fe、SA-C-Fe和SA-C-Fe(C)三种吸附材料,并用其进行了无机磷的去除实验。研究发现三种材料的吸附过程均符合准二级动力学模型,其中SA-Fe和SA-C-Fe的吸附过程符合Langmuir等温模型,其对无机磷的最大吸附量分别为53.79 mg/g和78.75 mg/g;SA-C-Fe(C)对无机磷的吸附过程符合Langmuir-Freundlich等温吸附模型。SA-C-Fe材料吸附无机磷过程存在配体交换、静电吸引和表面沉积三种吸附机制,吸附容量最高;SA-C-Fe(C)微球经过碳化后,羟基官能团数量减少,配体交换作用减弱,且形成了铁氧化物沉积层,吸附容量最低。     

不同粒径污泥热解制备生物炭及其特性分析

以3种不同粒径污泥为原料,采用固定床反应器在500℃下制备生物炭。考察了3种不同粒径污泥的热解特性及其生物炭中重金属的分布特征,并运用TCLP对污泥及其生物炭的重金属浸出毒性进行了系统研究。结果表明,随着污泥粒径的增大,热解生成的生物炭和热解气产率均有所降低,而焦油产率则逐渐升高;在3种不同粒径污泥热解过程中,重金属除As外主要富集在固体产物生物炭中,相对富集系数均高于90%。随着污泥粒径的增大,污泥中Cu、Zn和Ni的含量增加,而Cr和Pb的含量则减少;虽然3种不同粒径污泥制备的生物炭中重金属的浸出规律不一致,但是污泥热解可以有效抑制重金属的浸出。生物炭中除As和Zn外其他重金属元素的浸出率均低于3.0%。     

温度和低氧条件对成型生物质炭孔结构影响的实验研究

分别在400℃、500℃、600℃、700℃、800℃的热解终温和0、2%、4%、6%含氧量的热解气氛条件下制备成型生物质炭,通过扫描电镜、比表面积仪等测试手段对制得的成型生物质炭进行孔结构特性分析,研究了热解制备成型生物质炭时不同终温和不同含氧量的热解气氛对成型生物质炭孔隙结构的影响。结果表明,具有相同含氧量的热解气氛条件下,随着终温从400℃升高到800℃,比表面积先升高然后逐渐降低。从扫描电镜图中也可以发现终温在800℃时,大孔更易被观察到。在终温不变条件下,热解气氛的氧气体积分数从0上升到6%时,由于氧浓度增大,对热解产生了促进作用,加速热解反应,比表面积总体上升,微孔、中孔孔容积总体增加,但是在600～800℃时增加趋势放缓。说明在相同含氧量的热解气氛下,随终温升高,比表面积先增加后降低。相同终温下,随着热解气氛中含氧量的增加比表面积增加,而在较高终温和较高含氧量的热解气氛条件下,比表面积增加减慢,而比表面积的增加有利于加强成型生物质炭的吸附能力。     

Experiment and computational fluid dynamics investigation of biochar elutriation in fluidized bed

In fluidized bed biomass fast pyrolysis, the biomass is converted to biochar and elutriated. The elutriation rate is a key parameter in reactor designs and operations. This research presents a video-based continuous measurement of biochar elutriation rate in a fluidized bed with sands and biomass as bed materials. The fluidized bed is simulated with the computational fluid dynamics—coarse-grained discrete element method (CFD-CGDEM) in MFiX. The fluidization behavior of nonspherical sands can be more accurately captured when a rolling friction model is used. The predicted elutriation rate is close to the experimental measurement when the particle size distributions are considered and the filtered drag with a shape correction is used. These results validated the accuracy of the MFiX-based CFD framework for the prediction of biochar elutriations in the fluidized bed biomass fast pyrolysis reactor.     

一种生物炭基柔性固态超级电容器的制备及性能研究

利用固体农业废弃物玉米秸秆作为原料,经高温煅烧,KOH刻蚀获得具有较大比表面积的多孔生物炭材料,并采用粉末X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)以及比表面积和孔径分析仪(BET)等表征手段,研究其物理、化学结构和微观形貌。结果表明,所制备的生物炭材料具有发达的“微孔-中孔-大孔”三维贯通多级孔道结构,比表面积高达1228 m2·g^-1。将其作为电极材料,与H₂SO₄/PVA凝胶电解质可组装成为具有柔性的全固态超级电容器。利用循环伏安测试(CV)、恒电流充放电(GCD)以及交流阻抗测试(EIS)对柔性超级电容器电化学性能进行了测试。在电流密度为1.0 A·g^-1的条件下,其比容量可达125 F·g^-1。该器件具有良好的机械柔性和电化学稳定性,将其从0°弯曲至180°的过程中,比电容保持率约为93.5%;以不同弯曲角度将其连续弯折100次后,仍能保持较高的比电容。此外,在弯折角度180°、充放电电流密度为5.0 A·g^-1 的条件下经过500次循环充放电后,比电容值保持率约为95.6%,库仑效率约为94.9%。说明所制备的柔性超级电容器具有优异的充放电性能和长效循环稳定性。作为一种柔性、质轻、便携的储能装置,在可穿戴电子器件领域内具有潜在应用价值。同时该方法也为固体农业废弃物玉米秸秆的高附加值转化利用和新型绿色能源器件创新研制提供了新的技术途径。     

生物炭持久性自由基形成机制及环境应用研究进展

持久性自由基（PFRs）因其持续反应活性和潜在毒性而日益受到广泛关注。生物炭在高温热解和水热碳化制备过程中会产生PFRs,并可转化形成活性氧物质,从而促进环境污染物的氧化还原转化和降解,同时也产生潜在的环境健康风险。本文综述了生物炭PFRs的国内外研究进展,归纳了PFRs在生物炭制备过程中的形成和转化机制,总结了生物炭PFRs生成ROS降解有机污染物、光诱导氧化降解有机污染物、重金属氧化还原转化等方面的环境应用研究现状,初步探讨了生物炭PFRs的毒性效应,并对今后的研究发展方向提出了展望,以期为生物炭PFRs的进一步环境应用提供方向和依据。     

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。     

炭化工艺对脱水沼渣炭理化性质的影响

以一级脱水沼渣为原料,通过热重-红外联用分析其失重行为及热解气相产物的组成,采用单因素试验方法,考察炭化温度、升温速率、保温时间对沼渣炭的得率、理化性质的影响。结果表明：360～480℃区域为热解的主要阶段。随着温度的升高,炭得率、挥发分含量降低,灰分含量增加,固定碳含量在700℃最高（18.37%）;随着升温速率提高,灰分、固定碳含量提高,炭得率及挥发分含量降低;随着保温时间的延长,炭得率逐渐降低,对灰分、挥发分、固定碳影响不显著;原料及炭热值较低;重金属Cd和Pb含量低于“有机-无机复混肥料”标准限值（GB 18877—2009）;Hg和Cr含量较低,符合肥料用有害重金属元素限值标准,而有益于植物生长的元素Mn和Zn含量较高,本研究为减量化处理复杂沼渣提供了理论依据。     

小麦秸秆生物炭吸附诺氟沙星特性

采用孔径与比表面积分析仪、SEM、FTIR及Boehm滴定对小麦秸秆生物炭(XM300、XM450、XM600)进行表征,考察了生物炭对诺氟沙星(NOR)的吸附机制。结果表明,随着热解温度的升高,生物炭比表面积与孔容积增大,孔径变小,表面羧基、内酯基与酚羟基等酸性官能团数量减少。伪二级动力学方程和Langmuir等温模型更适合描述3种生物炭对NOR的吸附,颗粒内扩散方程拟合发现生物炭对NOR的吸附包括快速外扩散与缓慢内扩散;XM300对NOR的吸附容量最大(40.30 mg/g),得益于低热解温度生物炭中存在大量非碳化有机质的分配作用。