水熱碳化以生物質為原料,水作為液相反應介質,在一定溫度(150-250℃)和壓力(2-10 MPa)下,將生物質轉化為以生物炭為主的一系列高附加值產物。

水熱碳化是一種高效的廢棄生物質資源化技術。水熱碳化是指將生物質廢棄物置于高溫(150-350℃)水溶液中停留一段時間,脫水脫羧形成具有明確理化性質的固體產物。

水熱碳化是將生物質轉化為更高能量密度形式的碳的一種有效途徑,也是制備生物質炭材料和生物油的重要方法。

水熱碳化溫度、時間：

本文采用廢棄生物質松子殼和玉米芯作為原料,分別在不同的水熱碳化溫度(180℃、200℃、230℃)下反應5 h,利用掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜分析(FT-IR)、元素分析、含氧官能團測定等手段對所得水熱炭進行了詳細的表征。

SEM顯示當溫度達到220℃時,碳化物表面開始形成微球結構,且隨著溫度和時間的增大,微球結構均一性、分散度越來越好。

在溫度為200℃時,分別利用Fe3+、檸檬酸作為添加劑。結果表明,Fe3+、檸檬酸均能促進生物質的水熱碳化過程，所得水熱炭的熱值提高了20-40%，SEM顯示，添加Fe3+的玉米芯和松子殼水熱炭表面生成的炭微球數量顯著，且球形完整、粒徑較大、表面光滑；添加檸檬酸的水熱炭表面的炭微球粒徑在納米級別,呈現致密的蜂窩狀。

在反應溫度260℃、停留時間為1h時，生物炭能量密度已經提高了69.45%，獲得了較高的能量密度，進一步提高反應劇烈程度能提升的能量密度有限。掃描電鏡分析說明經過水熱碳化處理的生物炭整體呈現碎片狀態，并伴有大量蜂窩狀結構，可能是脫羰基反應導致稻草內部的纖維素、半纖維素大量分解。在反應溫度260℃,停留時間1h時，固相產物吸水率較低，故此條件下生物炭的性能良好，是制備生物炭的較適宜條件。

與干法碳化相比，水熱碳化保留了較多的有機碳。干法碳化后的污泥炭較原污泥呈現弱堿化，而水熱碳化則顯示酸化趨勢。此外,與干法碳化相比，水熱碳化在富集有效營養元素(磷、氮)和固定重金屬浸出風險上均表現出明顯的優勢。這些結果預示著水熱碳化法在污泥資源化處理方面的巨大潛能。

考察金屬離子(Ca2+、Zn2+、Al3+和Fe3+)對松子殼生物炭的影響。結果表明，4種金屬離子均對松子殼水熱碳化起到促進作用，金屬離子的加入可在較低溫度下得到具有較高碳含量及熱值的生物炭。添加金屬離子的水熱炭化過程在180-230℃以脫水為主，伴隨脫羧反應,在230-250℃以脫甲烷化為主。在4種金屬離子中，Fe3+對松子殼水熱碳化的促進作用最大，溫度180℃時，添加Fe3+所得生物炭的碳含量和熱值分別為66.59%和24.40 MJ???kg-1，是在純水中180℃時生物炭的碳含量的1.29倍,熱值的1.31倍。在掃描電鏡中發現添加Fe3+生成的生物炭出現的球形結構較多。通過調節溫度以及添加適合的金屬離子可實現對炭微球的粒徑及數量的控制。

標簽：炭化原理技術