生物质发电厂飞灰制备生物炭的研究.doc
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1、生物质发电厂飞灰制备生物炭的研究摘要:以生物质发电厂飞灰为原料,经过酸液除杂、矿物质脱除处理后,从飞灰中分离出生物炭。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和N2的吸附/脱附等对生物质飞灰和生物炭进行表征。研究结果表明:生物炭约占飞灰总质量的13.7%。制得的生物炭芳香度约为28.4%,脂肪碳含量较高,且含氧官能团丰富。生物炭的比表面积为128.98m2/g,总孔体积为0.08m2/g,平均孔径为3.4nm,表面疏松粗糙、孔隙明显且伴随羟基分布,表面活性较高,具备实际生产应用的价值。我国农林业废弃物、畜牧业排泄物、生物污泥等生
2、物质资源丰富,具有巨大的开发利用价值1。现阶段,以木材废弃物和农业秸秆为代表的农林剩余物转化为能源的潜力为4.6亿吨标准煤,已利用量约为2200万吨标准煤,约占2018年中国能源消耗总量的0.47%,且生物质资源主要用于燃料、饲料、肥料和基础化学品的生产2,而生物质发电是生物质燃料利用中最重要的一种方式。生物质发电包括煤-生物质共燃烧、直接燃烧、气化发电、沼气发电和垃圾焚烧等方式3-4。其中,生物质燃烧发电产生的废渣和飞灰难以处理5。据统计,全球每燃烧70亿吨生物质,就会产生约4.8亿吨的生物质灰,由于处理方法的局限性,只能将其就地掩埋或者集中堆放处置,极易引发环境的二次污染6。相较于炉底废渣
3、,由除尘系统收集的生物质飞灰成分简单,应用价值大。由于锅炉内部特殊的燃烧条件,致使生物质有机成分在高温缺氧条件下转化形成生物炭7。生物炭是具有高表面活性、富含碳素的多孔固体物质8-9,其制备工艺主要有慢速热解、快速热解、气化热解和水热炭化等10,在土壤改良、重金属处理和燃料等领域应用广泛11-14。Jiang等15采用不同种类的木材比较高温热解生物炭的理化性质差异,结果表明松木和黄杨木的理化性质对高温热解生物炭的比表面积、孔隙度、碱度、pH值、负电荷密度、可溶性和交换性阳离子以及含氧官能团的存在均有较大影响。Tsai等16利用农业废渣在较低的热解温度(190370)下制备出了一种可用于燃料的生
4、物炭。吴愉萍等17以不同种类的农作物秸秆为原料,合成出适合用于土壤施肥的生物炭材料。然而,以上研究都是以某种单一物质为原料,通过外加热源合成出生物炭,经济成本较高。本研究以生物质发电厂飞灰为原料分离制备生物炭,通过分离出飞灰中的生物炭组分,为生物质发电厂飞灰资源化利用提供一种新的思路。1实验1.1材料、试剂与仪器生物质发电厂飞灰取自江苏省某生物质发电厂,飞灰主要成分为SiO245.35%,CaO 18.96%,Al2O313.00%,Fe2O33.63%,K2O 3.60%,MgO2.86%,Na2O 1.46%,P2O51.23%和TiO21.06%。盐酸(38%)、氢氟酸、无水乙醇(95%
5、),均为分析纯。VEGA3SBH型钨灯丝扫描电子显微镜,捷克Tescan公司;NS7型X射线能谱仪,美国Thermo公司;D8ADVANCEA25X型X射线衍射仪,德国Bruker公司;NICOLET-IS10型傅里叶变换红外光谱仪,美国NICOLET公司;Uadrasorb-evo全自动比表面和孔径分布分析仪,美国Quantachrome公司;KQ5200DA型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司。1.2生物炭的制备1.2.1飞灰杂质组分的脱除 取5g生物质飞灰放入500mL锥形瓶中,同时加入300mL的3mol/L盐酸溶液。混合均匀后,静置一段时间。待溶液颜色微微变色后,将锥形瓶置于8
6、0的油浴锅中,恒温持续搅拌3h。待反应结束后,冷却至室温,真空抽滤,滤渣经50mL热去离子水洗涤3次。1.2.2飞灰矿物相的脱除 将1.2.1节脱除杂质组分的飞灰倒入300mL塑料烧杯中,加入盐酸10mL、氢氟酸20mL和去离子水50mL的混合液。同时将烧杯置于60的油浴锅中,恒温持续搅拌2h。待反应结束,冷却至室温,真空抽滤,滤渣经50mL热去离子水洗涤3次,制得生物炭。1.2.3生物炭的分离 将1.2.2节收集的滤纸、滤渣与20mL无水乙醇置于100mL烧杯中,超声波分散5min,过滤,重复上述步骤3次后滤渣放置于60的干燥箱中16h,直至乙醇全部挥发。1.3样品的表征采用X射线衍射(XR
7、D)仪观察样品的结晶程度和晶相组成,测试条件:CuK射线,=0.154nm,管电流30mA,管电压40kV,2为565,扫描速度0.01()/s。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪测定样品的表面官能团与化学键的组成,波数范围为4004000cm-1。利用扫描电子显微镜(SEM)通过喷金处理后观察样品的结构形貌。通过X射线能谱(EDS)仪分析样品的表面元素组成。样品的比表面积、总孔体积和平均孔径由比表面积和孔径分布分析仪测定,采用BET多点法,在473K下脱气3h后在77K下进行N2吸附/脱附实验。1.4生物炭含量的测定通常情况下,金属或非金属氧化物的熔融点较高,且不易高温分解18,而飞灰中
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