酿酒废弃物催化热解及其产物资源化利用研究

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中国是酿酒大国,每年产生的酿酒废弃物高达上亿吨。酒糟若无法得到及时合理的处置,将有可能造成严重的环境污染和资源浪费。如何将酒糟变废为宝,是酿酒行业生态可持续发展所必须面临的重大挑战。现阶段的酒糟增值利用方式存在一定局限性,而热解法因其能量利用率高、反应速率快、产物应用潜力大、二次污染小、经济性好以及有利于大规模工业化推广等优点受到了研究人员的广泛关注。热解气可作为一种清洁高效的气体燃料,但由于较低的产率和品质导致其应用受到限制,而催化热解被认为是提高合成气产率同时改善燃气质量的有效措施。本课题从生物质催化热解角度出发探索新的酿酒废弃物增值利用工艺路线,分析了酒糟催化热解规律及其气液两相产物特性。发现实验中所投加的五种催化剂(镍基催化剂、钾基催化剂、铁基催化剂、分子筛以及白云石)均能促进焦油的二次裂解。其中,镍基催化剂活性最大,其气液固三相产物产率依次为42.85,25.01,32.14 wt.%;与无催化剂的情况相比,其热解气体体积产率从308.52 m L/g上升至413.10 m L/g,H2产率增长2.72倍至4.69 mmol/g,且混合气体中H2和CO的体积浓度比最高,分别为25.44%和30.48%。此外,五种催化剂均能在一定程度上提升热解液体产物的品质,分子筛催化剂对焦油成分的改善效果最为明显。同时,考察了镍基催化剂金属负载量、催化剂投加量、热解温度以及固相滞留时间对于酒糟催化热解三相产物产率以及气相成分的影响,摸索出最大产气率和最佳产气品质所对应的最优运行工况:热解反应温度为900℃;催化剂镍负载量为8 wt.%;催化剂投加比为50%(可分离回收重复利用);固相停留时间为20分钟。在该工况下,酒糟催化热解气液固三相产物产率依次为69.67,1.56,28.78 wt.%,气体体积产量为600.06 m L/g,H2和CO的体积浓度分别为35.10%和35.39%。最后,为开拓酒糟催化热解产物的应用领域,本文就催化热解气体作为燃料的应用潜力、酒糟基生物炭(DGBC)的吸附性能以及DGBC吸附过程中重金属镍浸出的生态风险进行了初步探讨。结果表明,最优工况下的气相产物所供热量可满足酒糟干化-热解耦合工艺的能量需求,此时系统的能量利用率为62.06%。另外,制备温度提高,酒糟基生物炭的碳化程度和芳香性增加且比表面积和微孔体积增大;亲水性和极性下降且表面官能团减少;不同温度下制备的DGBC均对重金属和阿特拉津(AT)有一定吸附效果,而900℃时所得到的DGBC对Pb2+和AT的吸附容量最高,分别为89.92 mg/g和13.35 mg/g。此外,不同烧制温度、固液比和环境p H值条件下生物炭的重金属镍浸出浓度均远低于国家规定限值,说明重金属镍成功被固定在DGBC中,应用时生态风险较低。
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