一種生物質有效的處理方法
【技術領域】
[0001]
本發明屬于可降解有機物資源化利用技術領域，具體涉及一種生物質有效的處理方法。
【背景技術】
[0002]
生物質資源環境友好、分布廣泛、可再生。據估計，地球上每年生長的生物質能總量約1400?1800億干噸，相當于目前世界總能耗的10倍。我們國家是農業大國，生物質資源豐富，每年農作物秸桿產量約為7.2億多噸，林業剩余物資源也高達3億多噸。如此數量巨大的生物質資源給快速、有效的處理和利用帶來了很大的困難。以往多采取直接燃燒的方式，雖然方法簡單快捷，但造成了資源的浪費和嚴重的環境污染。農業廢棄物過去一般也采取直接還田、高溫堆肥、發酵制沼氣等處理方式，但利用效率低下，同時也帶來了大量的環境污染問題。因此，實現生物質資源合理有效地開發和利用，對緩解能源短缺的壓力和改善環境、促進生態平衡乃至實現人與自然的和諧發展都有著重要的意義。
[0003]生物質濕解是一種強制腐殖化和礦化技術，它利用一定溫度和壓力的熱水或飽和水蒸氣使生物質在缺氧的條件下快速切斷有機物大分子的長鏈，并將生物質內存貯的有機碳轉移到穩定化的類腐殖質中快速封存。濕解工藝的核心目的是快速處理生物質，生產高品質的腐殖煤或者生物炭。然而在約160~280°C的溫度下采用相對短的停留時間一次性加熱使原料在熱水或蒸汽中降解，這就代表著會有相當大份額的糖類化合物會進一步分解，造成更多的氣體排放，降低了能源利用率，且會有部分糖類沉積在生物質表面，影響生物質與水的接觸，從而影響生物質的炭化程度。
[0004]申請號為CN101096032A的中國發明專利公開了一種固體廢物連續濕解處理的方法與裝置，其中在150~250°C利用水蒸氣加熱處理固體廢物，并進行連續處理。雖然在工業化生產中連續處理相對于批處理操作有一定的優勢，但該裝置無法實現有效分離過程中產生的可溶性糖及回收利用含有有機酸的分離液，并且這種裝置結構復雜、密封困難、造價高昂O
[0005]申請號為CN101869904A的中國發明專利公開了一種生活垃圾濕解綜合處理工藝，該工藝可以實現生活垃圾在110~130°C，壓力為0.5~1.0MPa,保持時間為60~100分鐘的條件下進行降解。但此工藝降解的產物還需進行好癢堆肥8~12天，周期較長，容易產生二次污染。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種生物質有效的處理方法，能夠快速、高效從生物質材料中生產炭化材料的新方法，該方法可以提高目標產物生物焦的產率。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案: 一種生物質有效的處理方法，包括如下步驟:
(1)將生物質與水按質量比1:5~1:15的比例在缺氧氣氛中加熱液化和炭化，所述反應溫度為205~235°C，停留時間為10~30分鐘，反應結束后，通冷卻水冷卻，將所得固液混合產物通過真空過濾分離得到一次液化產物和一次炭化材料；
(2)將步驟(I)所得到的一次液化產物進行膜分離，所述膜分離截留相對分子質量為50~500，然后通過透析和/或電滲析和/或納米過濾得到可溶性糖濃縮液和剩余分離液；
(3)將所述步驟(2)得到的剩余分離液和補給步驟(I)中所用水質量的0~10%的水加入到反應釜中，然后與步驟(I)所得到的一次炭化材料在缺氧氣氛中加熱深度炭化，所述反應溫度為255~345°C，停留時間為180~240分鐘，將產物真空過濾分離得到二次液化產物和炭化材料；
(4)將步驟(3)所得二次液化產物再次用作步驟(I)的反應溶劑，同時補給步驟(I)中所用水質量的0~10%的水，再次與生物質在缺氧氣氛中加熱，重復所述步驟(I)至(3)，循環進行。
[0008]所述步驟(2)中的可溶性糖包括木寡糖、葡聚糖、半乳糖和甘露聚糖，該可溶性糖中含有木寡糖4~6%、葡聚糖6~12%、半乳糖3~5%、甘露聚糖0~2%。
[0009]所述步驟(2)中剩余分離液中含有3~8%生物質重量的有機酸。
[0010]所述步驟(3)中的炭化材料用于電極材料、污染物吸附、熱解和/或氣化的原料，所述炭化材料用作鋰離子電池電極材料的添加劑時，可逆容量高于傳統石墨電極的可逆容量；用作污染物吸附時，可以常溫下吸附CO2，減少環境污染；用作熱解和/或氣化的原料時，可以用來制取清潔燃料氣甲烷，環境友好。
[0011]所述步驟(I) - (3)的處理過程中生物質中彡10%重量的碳以CO2形式排放。
[0012]所述步驟(I)中生物質為麥桿、玉米桿、稻桿、棉桿、高粱桿、樹木枝葉、草坪草、雜草、甘蔗渣、城市生活垃圾中的一種或幾種，所述生物質的粒徑為2~5_。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
(I)先通過膜分離，然后通過透析和/或電滲析和/或納米過濾有效分離可溶性糖，提高了原料轉化率，同時減少了因糖類化合物的沉積對后續炭化反應的不利影響，減少在后續反應中因糖類化合物分解而產生的污染物排放；(2)利用含有機酸的剩余分離液再次作為反應溶劑，不但減少了生物質炭化過程中水的消耗，還因有機酸的催化作用，顯著提高了炭化材料的產率；(3)根據所述生物質組分和目標產物，合理分階段調控反應參數，同時得到可溶性糖和炭化材料；(4)整個處理期間生物質< 10%重量的碳以0)2形式排放，減少了溫室氣體的產生，是一種環境友好的加工工藝。
【具體實施方式】
[0014]下面通過實施例對本發明所提供的生物質有效的處理方法進行詳細說明。
[0015]實施例1
本實施例生物質有效的處理方法，包括如下步驟:(I)將自然風干粉碎后粒徑為2_的小麥桿20g和10g水按固液質量比為1:5的比例加入到反應釜中，在缺氧氣氛中加熱液化和炭化，控制反應溫度為205°C，停留時間為10分鐘，反應結束后，向反應釜內通入冷卻水使其快速冷卻至室溫，得到固液混合產物，所述固液混合產物通過真空過濾分離得到一次液化產物和一次炭化材料；(2)將步驟(I)所得到的一次液化產物進行膜分離，即將一次液化產物依次通過截留分子量為50~500的濾膜，利用透析結合電滲析分離出可溶性糖濃縮液及含有有機酸的剩余分離液，通過高效液相色譜和離子色譜對可溶性糖濃縮液和剩余分離液進行定量分析，以原料干基質量為基礎，得到可溶性糖濃縮液產率為18%，該可溶性糖中含有木寡糖4%、葡聚糖10%、半乳糖3%、甘露聚糖0.5%，剩余分離液中有機酸濃度為5.6% ;
(3)將步驟(I)得到的一次炭化材料與步驟(2)所得的剩余分離液按固液質量比1:5稱取一次炭化材料Ig和剩余分離液5g加入到反應釜中，在缺氧氣氛中加熱深度炭化，控制反應溫度為255°C，停留時間為180分鐘，將固液產物過濾、真空分離，得到二次液化產物和炭化材料，對炭化材料烘干至恒重，進行分析，最終所得炭化材料產率為59%。
[0016]經檢測分析，所得最終炭化材料含碳量可達69