本技术介绍了一种利用两阶段升温水热催化技术将中草药废弃物转化为类矿物源腐殖酸的方法,并详细说明了铁掺杂氮磷改性蒙脱石催化剂的制备过程。该方法在两个不同温度阶段的水热条件下,通过添加有机酸作为催化剂,实现了植物废弃物的有效转化。
背景技术
植物废弃物,尤其是中草药废弃物,是指中草药材炮制加工、中成药生产以及其他中草药相关产品生产加工过程中产生的废弃物,通常是植物的根茎叶等经提取后的混合物。中草药作为天然传统药材,种类繁多,但中草药废弃物总体具备如下特征:一是难降解,纤维含量高,木质化严重,且受植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素等致密结构的阻碍,细胞胞浆中的有效活性成分难以被充分提取,导致药用资源浪费。二是富含氨基酸、多糖、生物碱、脂肪、皂苷、维生素、有机酸、微量元素等多种活性物质,可再利用价值高。三是高含水率(水的质量分数大于80%)增加了收集、运输和处理的难度。中草药废弃物长期堆放会产生臭气而影响空气质量,腐败后的废液易渗透入地下水或流入河流,污染水资源。四是低毒性,中草药废弃物中自带一些尚未提取的有机酸、生物碱等,对人类与动物的生命安全造成威胁,且不利于微生物处理。如何充分资源化利用中草药废弃物,是中药行业生态链中的重要环节。
目前,中草药废弃物的处理方法有很多种,传统方法有卫生填埋、定点焚烧。卫生填埋作为最常用的垃圾处理方法,具有成本低、处置量大、操作简便等特点。但是,在中草药废弃物降解的过程中会产生大量臭气、污水等,不仅会占用大量土地资源,而且会污染周边土壤、大气、水环境,对当地的生态造成破坏。定点焚烧是指对中草药废弃物进行定时定点集中处理,通过热分解、燃烧、熔融等反应,使中草药废弃物在高温状态下成为残渣的过程。该过程可将中草药废弃物中的有毒有害成分转化为无害物质,并且显著减少体积。但是中草药废弃物含水量大,热值低,在采用此方法时需要添加额外的辅助燃料,投资较大,并且在焚烧处理过程中会产生大量难以治理的废气,普遍应用难度较大。这些方法不仅未能有效实现中草药废弃物的减量化和资源化协同处理,而且导致了严重的资源浪费,对周围生态环境造成了污染。因此,准确认识中草药废弃物的经济价值,迫切需要找到一种可行的资源化处理方案。鉴于这种草废物物种类的丰富性,寻找一种通用的处理方法也成为当前亟需解决的难题。
腐殖酸是一种由芳香族及多种官能团构成的高分子有机酸,具有良好的生理活性和吸收、络合、交换等功能,被广泛应用为土壤修复剂或有机肥料。腐殖酸按照来源分为两类:矿物源腐殖酸(mineral-derived humic acid),生物源腐殖酸(biological-derivedhumic acid)。矿物源腐殖酸一般从风化煤、褐煤等低热值的煤炭中提取而来,而生物源腐殖酸是通过微生物分解(发酵、堆肥、填埋等方式)废弃的生物质(包括人畜粪便、餐厨垃圾等含高浓度有机物的废弃物)获得。相较于生物源腐殖酸,矿物源腐殖酸拥有更多的芳香结构和活性官能团,这使得矿物源腐殖酸比生物源腐殖酸更适用于土壤修复、改善盐碱地、促进植物生长、避免虫害等。但是,传统的矿物源腐殖酸仅仅依靠从低热值煤炭中提取,这项工艺被低腐殖酸产率、高采煤过程中的污染、对环境的破坏而限制。另外,煤炭需要超过万年的时间(大于15000年)才可形成,在短时间维度内,从煤炭中提取腐殖酸是不可持续发展的工艺。此外,在人工合成腐殖酸领域,广泛使用的是强酸强碱催化剂,这对于环境是极其不利的。在土壤中,层状硅铝酸盐矿物与氧化铁往往通过多种作用力胶结在一起形成复合物。硅酸盐矿物-氧化铁复合体是土壤团粒结构的基本单元,控制着众多土壤微界面过程,如营养元素、污染物和有机碳的固定。合理利用天然的矿物材料作为催化剂,不仅可以提高腐殖酸的产率,也不会对腐殖酸后续的应用产生不良影响。因此,亟需开发一种新型可持续生产类矿物源腐殖酸的技术。
如果我们能够模拟自然过程,利用环境友好的水热反应,以中草药废弃物为底物,使用改性的天然粘土结构矿物作为催化剂,将其转化为类矿物源腐殖酸,那么我们将实现一箭双雕的效果。这不仅解决了中草药废弃物的处理难题,还能解决传统腐殖酸制备过程中可能引起的高污染问题。
实现思路