Способ получения сорбционных материалов методом гидротермального ожижения из органических отходов Российский патент 2024 года по МПК B01J20/20 B01J20/22 B01J20/30 

Изобретение относится к области получения угольного сорбента из осадков сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений, методом гидротермального ожижения.

Предлагается использовать в качестве угольного сорбента, получаемый в процессе гидротермального ожижения осадков сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений, методом гидротермального ожижения твердый углеродный остаток.

Гидротермальное ожижение относится к термохимическому процессу, в котором биомасса и органические отходы разлагаются под действием воды, находящейся в субкритическом состоянии (температура более 270-350°С и давление 4-7 МПа). В таких условиях вода действует как растворитель, окислитель, и источник радикалов.

Известен способ получения сорбента из ила, путем смешивания его с пористым термостойким наполнителем и подвергания его пиролизу. В дальнейшем полученный уголь подвергается активации [RU 1742227, 1992]. Недостатком метода является его высокая длительность и необходимость предварительной сушки материала. Длительность пиролиза составляет 1 ч.

Известен способ получения мезопористого сорбента из растительных углеводов (декстрины, крахмал и т.д.), заключающийся в предварительной термообработке методом пиролиза с последующим прокаливанием в присутствии гидроксида калия. Недостатком метода является высокая стоимость сырья, т.к. для переработки используются предварительно выделенные полисахариды растений [RU 2620404, 2016].

Известен способ получения сорбента из растительной биомассы методом быстрого вихревого окислительного пиролиза. Такой сорбент обладает высокой нефтеемкостью. Недостатком метода является необходимость сушки сырья до влажности не более 10% [RU 2763291, 2021].%

Известен способ получения угольного сорбента из древесины твердых тропических пород методом пиролиза. Данный способ включает в себя одновременное проведение пиролиза, активацию твердого остатка водяным паром, дробление недоактивированного угля и дополнительную активацию. Недостатком метода является использование специфичного сырья (древесина тропических пород деревьев, в частности газварин), которое недоступно в России [RU 2119450, 1996].

Известен также метод производства сорбента из ила, за счет смешивания осадочной породы - диатомита с органическим компонентом - влагонасыщенным отработанным активным илом и портландцементом [RU 2542259, 2020]. Недостатком метода является длительность процесса получения сорбента, а также тот факт, что сорбционные свойства обеспечивает пористая минеральная база, а не углеродная составляющая, полученная при переработке ила. Процесс занимает более 2 суток.

Наиболее близким аналогом можно считать сорбент, полученный из осадка первичных отстойников в процессе гидротермального ожижения при 325°С и давлении 2-5 МПА. Далее полученный твердый остаток деминерализовали при 1М раствором HCl в течение 18 часов, пропитывали KOH (активирующим агентом) и подвергали пиролизу в трубчатой печи в контролируемой атмосфере N2 при температуре 600°С и 800°С, в течение 1-4 часа [RU 2702662, 2019]. Достигаемая при этом сорбционная емкость по метиленовому синему составила 367,1 мг/л. Недостатком метода является многостадийность, сложность и длительность процесса активации.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности технологически простой переработки осадков сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений, без предварительной обработки, с получением угольных сорбентов.

Указанная проблема решается способом производства угольных сорбентов, заключающимся в том, что осадки сточных вод и растительные отходы без сушки смешивают с водой (при необходимости) для обеспечения соотношения биомассы : вода не ниже 1:5, и подвергают гидротермальному ожижению при температуре 240-360°С, давлении 3-7 МПа в течение 15-40 мин, с последующей активацией получаемого твердого углеродного остатка одним из предложенных способов.

Достигаемый технический результат заключается в переработке осадков сточных вод и растительные отходы с одновременным получением сорбентов и биотоплива, а также в исключении использования опасных органических растворителей и в повышении энергоэффективности процесса за счет одновременного получения биотоплива и отсутствия необходимости предварительной сушки перерабатываемых отходов.

На Фиг. 1. показана технологическая схема получения биотоплива и угольного остатка методом гидротермального ожижения из осадков сточных вод и растительных отходов.

Описанный способ осуществляют следующим образом:

В качестве сырья (1) в данном способе возможно использовать осадки сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений. При наличии фракций, линейный размер которых превышает 0,5 диаметра реактора проводится их извлечение и предварительное дробление на роторной дробилке (2).

Получение угольного материала проводят в реакторе периодического действия (3), оборудованного мешалкой (4). Давление достигается за счет изохорности процесса. Осадки сточных вод и биомассу растительных отходов с водой (5) (при необходимости) для достижения массового соотношения сухое вещество: вода на уровне 1:15-1:5. В данном процессе возможно использование технической воды.

После загрузки реактора его плотно закрывают и начинают нагрев. Для нагрева могут быть использованы любые внешние системы, в том числе внешний электрический нагрев (6). За счет повышения температуры происходит увеличение давления. После достижения требуемого уровня температуры (240-360°С) и давления на уровне 3-7 МПа активный нагрев прекращают и поддерживают температуру на заданном уровне в течение 15-40 минут. После завершения процесса реактор охлаждают с использованием теплообменника (7) до температуры 60-70°С. После достижения реакционной смесью температуры 60-70°С открывается вентиль отвода газовой фазы (8).

Далее полученный продукт сжижения выгружается в приемный резервуар (9) для отстаивания. По мере накопления жидкая фаза насосами направляется на механическое разделение на биотопливо (10), водную фазу (11) и твердый угольный остаток (12).

Далее полученный твердый угольный остаток промывают водой (13), высушивают (14) и проводят его активацию (15), для дальнейшего использования его как сорбента. Активацию проводят одним из предложенных методов:

1) Кипячение в 30-40% растворе пероксида водорода в течение 30 минут;

2) Кипячение угольного остатка в 30-40% растворе пероксида водорода с добавлением 40-50% раствора гидроксида натрия в течение 30 минут.

Пример 1.

Осадки сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений, смешивают с водой (при массовом соотношении сухое вещество : вода = 1:10)и подвергают переработке методом гидротермального ожижения. При этом поддерживают температуру на уровне 240-270°С, давление на уровне 4-6 МПа. Время обработки 20 минут. Полученный угольный остаток кипятят в растворе пероксида водорода (концентрация раствора 30-40%). Соотношение уголь : пероксид водорода = 1:10. температура 80°С, температура достигается постепенно, начиная с 50-60°С. Время процесса кипения смеси составляет 30 минут. После чего полученный продукт промывают дистиллированной водой, фильтруют и высушивают при температуре 105±2°С. Выход продукта составляет 40% от исходной биомассы по сухому веществу, сорбционная емкость по метиленовому синему 13,8 мг/г.

Пример 2.

Способ проводят аналогично примеру 1, при этом полученный угольный остаток смешивают с раствором гидроксида натрия (30-40%), полученную смесь вносят в раствор пероксида водорода (30-40%), и, после прекращения реакции, осторожно нагревают, доводя до кипения (доводят до 70°С начиная с 40-50°С). Соотношение уголь : Н₂О₂ : NaOH=1: 1:0,1. Время процесса кипения смеси составляет 30 минут. После чего полученный продукт промывают дистиллированной водой, фильтруют и сушат при температуре 105±2°С. Выход продукта составляет 45%, сорбционная емкость по метиленовому синему 9,0 мг/г.

Характеристики полученный сорбентов представлены в таблице 1.

Приведенные выше данные свидетельствуют, что применение некаталитического процесса гидротермального ожижения осадков сточных вод и растительных отходов, в качестве растительных отходов используются, кородревесные отходы, биомасса макроводорослей и травянистых растений, при температуре 240-360°С, времени процесса 15-40 минут и давлении 3-7 МПа, и дальнейшая активация угольного твердого остатка позволяет обеспечить выход угольного остатка на уровне 33-45%) от исходной биомассы. При этом угольный сорбент обладает достаточно высокой сорбционной емкостью (8,7-13,8 мг/г).

Таким образом, предложенный способ позволяет получать достаточное количество твердого угольного остатка без применения катализа, опасных растворителей и при отсутствии необходимости очистки и подготовки осадков сточных и растительных отходов.

Список цитируемых документов.

RU 2620404, 2016; RU 2763291, 2021; RU 2119450, 1996; RU 2433089 2011; RU 1742227 1992; RU 2542259, 2020; RU 2702662, 2019;.Saner, P.N. Carvalho, J. Catalano, K. Anastasakis. Renewable adsorbents from the solid residue of sewage sludge hydrothermal liquefaction for wastewater treatment, Science of The Total Environment, 838 (3), 2022, 156418, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156418.

Изобретение относится к области получения угольного сорбента из органических отходов (избыточный активный ил, осадки сточных вод, кородревесные отходы, макроводоросли и иные растительные отходы) методом гидротермального ожижения. Описан способ получения сорбционных материалов из осадков сточных вод и растительных отходов, заключающийся в том, что для производства угольных сорбентов используется технология гидротермального ожижения при соблюдении следующих параметров процесса: массовое соотношение биомассы по сухому веществу:воды 1:15-1:5, температура 240-360°С, давление 3-7 Мпа, с последующей активацией пероксидом водорода или гидроксидом натрия и пероксидом водорода без предварительной обработки, процесс проводят без использования многостадийной активации, для активации применяются экологически безопасные реагенты, такие как пероксид водорода и гидроксид натрия. Технический результат - переработка органических отходов с одновременным получением сорбентов и биотоплива, исключение использования опасных органических растворителей, повышение энергоэффективности процесса за счет одновременного получения биотоплива и отсутствия необходимости предварительной сушки перерабатываемых отходов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил., 3 пр.

1. Способ получения сорбционных материалов из осадков сточных вод и растительных отходов, заключающийся в том, что для производства угольных сорбентов используется технология гидротермального ожижения при соблюдении следующих параметров процесса: массовое соотношение биомассы по сухому веществу:воды 1:15-1:5, температура 240-360°С, давление 3-7 МПа, с последующей активацией пероксидом водорода или гидроксидом натрия и пероксидом водорода без предварительной обработки, процесс проводят без использования многостадийной активации, для активации применяются экологически безопасные реагенты, такие как пероксид водорода и гидроксид натрия.

2. Способ получения по п. 1, в котором в качестве сырья используют избыточный активный ил, осадки сточных вод, кородревесные отходы, биомассу макроводорослей и растений.