Page 44 - 《精细化工》2021年第7期
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·1326·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

                                                                  +
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                                                                             2+
                 沼渣兼具资源与污染的双重属性，其资源化方                          （K 、Na 、Mg 和 Ca ）比秸秆沼渣炭更多。两
            式主要集中在改良土壤和配制饲料，但随着食物链安                            种沼渣炭的阳离子交换容量差别归因于灰分中的金
            全和环境标准的提高，这两种方式逐渐受到限制                     [5-6] 。  属含量的差异      [16] 。另外，能源作物沼渣制备的水热炭
            此外，沼渣利用不当也会引发土壤和水环境安全问                             与褐煤相似，具有较低的灰分含量               [17] ，而畜禽粪便沼
              [7]
            题 。基于传统厌氧消化残渣处理方法存在安全性、                            渣制备的水热炭灰分含量达 31%（热解 220  ℃、
            资源性及商品性较差等弊端，新的增值方式应运而                             30 min） [18] ，市政固体废物（餐厨+纸浆）制备的生
            生，将其通过热能生产能源或转化为增值产品（如                             物素的灰分含量高达 43.4%（220  ℃、30 min）            [19] 。
            生物炭、活性炭或复合材料）成为近年来的研究热                             值得注意的是，消化污泥制备的沼渣炭不仅有较高
            点 [2,6,8] ，其中制备生物炭功能材料成为废水处理的                      的灰分（45.11%，处理条件 220  ℃、30 min），还
            重要手段。                                              具有较高的重金属含量          [20] 。通常，富含木质纤维素
                 生物炭是富含碳元素的材料，具有较大的比表                          的沼渣生物炭具有较高的碳含量、较大的比表面积
            面积、强离子交换性、高孔隙度及丰富的含氧官能                             和较强的芳香性，有利于水中有机污染物的去除                     [21] 。
            团，适用于污水处理           [9-11] 。副产物沼渣制备的生物             此外，也有研究表明生物炭的吸附能力与其比表面
            炭具有较高的炭品质和优异的吸附性能                   [12-14] 。目前，   积不呈正比关系，丰富的表面官能团（如羧基、羟
            沼渣生物炭已成功用于污水处理，对有机染料、氨                             基、氨基等）和灰分中的矿质元素更有利于提高其
            氮、磷酸盐、重金属及抗生素等具有较好的去除性                             吸附性能。
            能。然而，关于沼渣生物炭在水处理中的应用缺乏
                                                               2   沼渣生物炭基功能水处理材料的制备
            系统的总结与探讨。该文主要总结了国内外沼渣生
            物炭制备及改性调控的基本方法，对比总结了沼渣
                                                               2.1   沼渣生物炭的制备
            生物炭在水处理中的优势。同时，介绍了沼渣生物
                                                                   沼渣生物炭的制备方法有热解、气化、水热、
            炭在吸附和氧化体系中对污染物的去除机制，为拓
                                                               烘焙等，如表 1 所示。目前，大多采用慢速热解和
            宽沼渣生物炭的资源化利用提供借鉴，具有现实意义。
                                                               水热炭化方式。前者主要在 300~650  ℃、停留时间大
            1   沼渣生物炭的原料来源                                     于 1 h 的限氧或无氧环境下进行。后者常在 180~350  ℃
                                                               和自生压力下，利用亚临界水将沼渣转化为含碳产
                 沼渣炭的制备原料趋于多样化，主要包括秸秆                          品。几种方法相比，气化工艺中原料主要转化为合
            沼渣、畜禽粪便沼渣、市政消化污泥、厨余及能源                             成气，炭和焦油产率较少。然而，为了减少沼渣灰
            作物沼渣等。然而，沼渣原料来源对生物炭的物理                             烬熔化的风险，需限制其较低的气化温度（不超过
            和化学性质起关键作用           [14] 。木质纤维素类沼渣，其              800  ℃），从而降低了其工艺效率。同时，气化工艺
            炭产率较高，灰分较低，热值较高，热值和产率高                             必须将沼渣干燥至水分含量低于 30%，因此，造成
            低趋势为木质素>纤维素>半纤维素。植物类沼渣由                            的高能耗不容忽视。而热解工艺中，主要是生产具
            于其自身结构特点，其制备的沼渣炭比表面积相对                             有良好特性的生物炭，炭和液体产物含量相对更大。
            较大  [13,15] 。                                      通常采用热解温度在 400~600  ℃来制备比表面积大
                                                                      2
                 相同条件下（550  ℃下热解 2 h）制备的猪粪沼                    于 100 m /g 的沼渣炭    [22] 。多项研究表明，600  ℃下
                                    2
            渣炭比表面积（167.88 m /g）明显小于秸秆沼渣炭                       制备的沼渣炭具有较好的吸附性能                [23-24] 。低温会造成
                     2
            （260.21 m /g），但猪粪沼渣炭的阳离子交换容量〔(2.18±                炭化不足和较低的比表面积，而高温会导致碳骨架塌
            0.03) mmol/g〕比秸秆沼渣炭〔(0.89±0.03) mmol/g〕            陷，减弱吸附能力。较适宜的热解沼渣炭具有较高
            更高。分析证实了猪粪沼渣炭灰分中的金属含量                              的稳定性和较低的生物毒性。

                                               表 1   沼渣生物炭的制备      [14,17,22,25]
                                     Table 1    Preparation of biochar derived from digestate [14,17,22,25]
                  参数          慢速热解         快速热解          闪速热解            气化          水热炭化           烘焙
               进料条件          干              干            干             干            湿             干
               热解温度/℃        300~650        300~650      400~950       600~900      180~350       200~300
               停留时间          0.083~12 h     10~20 s      0.03~1.5 s    10~20 s      0.083~12 h    0.5~4 h
               主要产物          气/炭            气/炭          油             气            炭             炭
               w(固体)/%       25~35          25~35        <15           <10          45~70         60~80
               w(液体)/%       20~30          20~30        <70           <5           5~25          —
               w(气体)/%       25~35          25~35        >15           >85          2~5           20~40
   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49