一种畜禽粪便资源化利用的方法

技术领域

本发明属于农林废弃物能源化利用技术领域，具体涉及一种利用畜禽粪便制备为锂电池及废渣转化为沼气能源资源化利用的方法。

背景技术

畜禽养殖业是全世界最传统的、历史最悠久的行业。随着时代的进步，畜禽养殖业也迅猛发展，正在朝集约化、规模化的方向发展。畜禽主要分为猪类、牲口类、家禽类、羊类等。联合国粮食及农业组织(FAO)对2000-2020年不同种畜牧物种数量进行统计，结果发现所有种类畜牧物种的数量都是数量庞大且逐年递增的。截止2020年，羊(包括绵羊和山羊)的数量达到了2.39×10

畜禽粪便通常含有大量对人类及环境存在危害的重金属元素(例如铁、铜、砷等)及多种抗生素(例如四环素、恩诺沙星、阿莫西林等)、适应于多种宿主的病原体(例如大肠杆菌、沙门氏菌等)，若随意堆存可能会使得重金属和抗生素泄露土壤或进入地表水中，再通过食物链对动植物及人体健康产生危害。同时畜禽粪便中还含有丰富的营养盐，其溶于水中会造成水体的富营养化，而且畜禽粪便随意堆存会产生大量温室气体，排放到大气中会加剧全球变暖、产生温室效应，目前已成为全世界农业面源污染的主要来源也是世界各国共同关心的环境问题之一，因此畜禽粪便资源化利用迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明利用畜禽粪便制备成锂离子电池负极材料，同时利用反应过程中产生的残渣通过厌氧消化技术产生沼气进行收集。

本发明采取的技术方案如下：

一种畜禽粪便源化利用的方法，步骤如下：

(1)将混合畜禽粪便干燥后研磨过筛；

(2)取20g干燥研磨后的混合畜禽粪便粉末加入3～5g KOH、50～100mL去离子水，混合物至于250mL三口烧瓶中，在温度范围内以一定转速磁力搅拌反应一段时间，用定性滤纸进行过滤，将滤渣和滤液分离；

(3)将步骤(2)得到的滤渣通过厌氧消化设备进行厌氧消化，收集得到沼气；

(4)将步骤(2)得到的滤液在烘箱中烘干，烘干后所得的产物即为有机钾盐；

(5)将所得的有机钾盐研磨过筛，至于管式炉N

(6)将碳化后得到的碳化钾盐产品掺入多氯化萘混合研磨10～30min后，至于管式炉N

(7)将得到的活化钾盐产品用去离子水洗涤，然后用硝酸浸泡再用去离子水漂洗，烘干后得到锂离子电池负极材料。

步骤(1)中，混合畜禽粪便是将猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪以3～10:5～10:1～5:1～3的质量比进行均匀混合得到。

步骤(1)中，干燥是将均匀混合后的畜禽粪便在烘箱中以60～105℃的条件烘干至恒重，然后过100～200目筛，取筛上物。

步骤(2)中，搅拌反应温度为25～50℃，搅拌转速为500～1500rpm，搅拌时间为3～5h。

步骤(3)中，过滤过程中产生的废渣将其通过厌氧消化设备进行厌氧消化，厌氧消化条件控制如下：温度约为35～60℃；加入浓度为0.1～0.5mol/L的盐酸调节pH值约为6.8～7.25，收集得到沼气。

步骤(4)中，将所得到的滤液在烘箱中以60～105℃烘干，烘干后所得的产物即为有机钾盐产品。

步骤(5)中，将所得的有机钾盐研磨过100～200目筛，取筛上物。

步骤(5)中，将有机钾盐过筛后的筛上物至于管式炉N

步骤(6)中，掺入碳化钾盐样品质量10％～50％的多氯化萘。

步骤(6)中，至于管式炉N

步骤(7)中，将得到的活化钾盐产品用去离子水洗涤3～5次，后用1～3mol/L的硝酸浸泡10～30min再用去离子水漂洗3～5次。

本发明的有益效果：

(1)本发明可以减少畜禽粪便随意堆存或不当处理而对环境产生的污染，例如污染土壤、污染地表水、地下水，或焚烧产生大量VOCS对大气环境造成危害，或堆存产生一系列温室气体从而产生温室效应。

(2)本发明处理后的畜禽粪便可以达到资源化、无害化、减量化的目的。

(3)本发明反应过程中产生的残渣也能得到能源化的利用，将其通过厌氧消化技术产生沼气，为畜禽粪便达到碳减排、碳中和目的提供一个新思路。

(4)在多种可充电储能设备中，锂离子电池以其超常的储能能力和高的工作电位等优势发挥着重要作用，本发明制备得到的高附加值的锂离子电池负极材料，可以应用于锂离子电池。

(5)本发明不仅为畜禽粪便处理提供了一条新的思路，也能使其完成降碳、减污的目标。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2实施例1-3电化学性能测试图；

图3实施例1-3沼气产率。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

本发明中的畜禽粪便来源于广垦畜牧，将其收集备用。

实施例1

一种利用畜禽粪便制备锂离子电池负极材料及废渣能源化利用的方法，如图1所示，步骤如下：

(1)选择畜禽粪便作为有机固废处理目标，将猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪以3:5:1:1的质量比均匀混合，得到混合畜禽粪便；

(2)将混合畜禽粪便在烘箱中以60℃的条件烘干至恒重，干燥后过100目筛，取筛上物；

(3)取20g干燥研磨后的畜禽粪便粉末加入3g KOH、50mL去离子水，至于250mL三口烧瓶中，在25℃条件下以500rpm转速磁力搅拌3h；

(4)磁力搅拌后用定性滤纸进行过滤，将滤渣和滤液分离出；

(5)滤渣通过厌氧消化设备进行厌氧消化，厌氧消化条件控制如下：温度约为35℃，加入浓度为0.5mol/L的盐酸调节pH值约为6.8，收集得到沼气；

(6)将所得到的滤液在烘箱中以60℃烘干，烘干后所得的产物即为有机钾盐产品；

(7)将所得的有机钾盐研磨过100目筛，取筛上物，后至于管式炉中，N

(8)碳化钾盐产品加入其质量10％的多氯化萘混合研磨10min，然后至于管式炉中，N

(9)将活化钾盐产品用去离子水洗涤3次，然后用浓度为1mol/L的硝酸浸泡10min，再用去离子水漂洗3次，烘干后得到锂离子电池负极材料。

将制备得到的锂离子电池负极材料与炭黑、0.6％的聚四氟乙烯溶液、乙醇以3:5:230的(mg:mg:mg:mL)混合在常温下超声30min，然后在烘箱中以60℃干燥；在手套箱中抽真空5次后，取30mg干燥后的混合物涂在铜箔上，后70℃真空干燥24h，在手套箱中将负载混合物的铜箔与锂箔、钠箔负载于纽扣电池的外壳中，将电解液(碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、甲基碳酸乙酯以体积比2:4:4制备为电解液)都放入电池外壳中，以铜箔负载电极为负极、锂箔为正极、钠箔为对电极制备出锂离子电池，对电池性能进行检测。

实施例2

一种利用畜禽粪便制备锂离子电池负极材料及废渣能源化利用的方法，步骤如下：

(1)选择畜禽粪便作为有机固废处理目标，将猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪以6:8:3:2的质量比均匀混合得到混合畜禽粪便；

(2)将混合畜禽粪便在烘箱中以80℃的条件烘干至恒重，干燥后过150目筛，取筛上物；

(3)取20g干燥研磨后的畜禽粪便粉末加入4g KOH、75mL去离子水，至于250mL三口烧瓶中，在35℃条件下以1000rpm转速磁力搅拌4h；

(4)磁力搅拌后用定性滤纸进行过滤，将滤渣和滤液分离出；

(5)滤渣通过厌氧消化设备中进行厌氧消化，厌氧消化条件控制如下：温度约为45℃；加入浓度0.3mol/L的盐酸调节pH值约为7，收集得到沼气；

(6)将所得到的滤液在烘箱中以80℃烘干，烘干后所得的产物即为有机钾盐产品；

(7)将所得的有机钾盐研磨过150目筛，取筛上物，后至于管式炉中，N

(8)将碳化钾盐产品加入其质量30％的多氯化萘混合研磨20min，然后至于管式炉中，N

(9)将活化钾盐产品用去离子水洗涤4次，然后用浓度为2mol/L的硝酸浸泡20min，再用去离子水漂洗4次，烘干后得到锂离子电池负极材料。

按照实施例1的方法取本实施例制备得到的负极材料制备成锂离子电池，进行性能检测。

实施例3

一种利用畜禽粪便制备锂离子电池负极材料及废渣能源化利用的方法，步骤如下：

(1)选择畜禽粪便作为有机固废处理目标，将猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪以10:10:5:3的质量比均匀混合得到混合畜禽粪便；

(2)将混合畜禽粪便在烘箱中以105℃的条件烘干至恒重，干燥后过200目筛，取筛上物；

(3)取20g得到的干燥研磨后的畜禽粪便粉末加入5g KOH、100mL去离子水，至于250mL三口烧瓶中，在50℃条件下以1500rpm转速磁力搅拌5h；

(4)磁力搅拌后用定性滤纸进行过滤，将滤渣和滤液分离出；

(5)滤渣通过厌氧消化设备中进行厌氧消化，厌氧消化条件控制如下：温度约为60℃；加入浓度为0.1mol/L的盐酸调节pH值约为7.25，收集得到沼气；

(6)将所得到的滤液在烘箱中以105℃烘干，烘干后所得的产物即为有机钾盐产品；

(7)将所得的有机钾盐研磨过200目筛，取筛上物，后至于管式炉中，N

(8)将碳化钾盐产品加入其质量50％的多氯化萘混合研磨30min，然后至于管式炉中，N

(9)将得到的活化钾盐产品用去离子水洗涤5次，后用浓度为3mol/L的硝酸浸泡30min，再用去离子水漂洗5次，烘干后得到锂离子电池负极材料。

按照实施例1的方法取本实施例制备得到的负极材料制备成锂离子电池，进行性能检测。

实施例1-3制备出的锂离子电池进行电化学性能测试，如图2所示，其中(a)为CV曲线(b)为EIS曲线，实施例1-3均表现出良好的电化学性能，说明实施例制备的锂离子电池负极材料是符合使用要求的，与实施例1、2相比，实施例3电流密度有所增大，更好的改善电极材料的导电性，增大阳极的面积比电容，且其电阻更小，具有更优异的电极/电解质界面上的电荷转移过程，实施例3制备出的锂电池性能更为优异。

按照实施例1制备电池的方法，将张海邦等人[Zhang H B,Yang Z,Qiao K,etal.Green preparation of N-doped hierarchical porous carbon composites fromhumic acid extraction residue of lignite as anodes for lithium/sodium-ionbatteries[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,648:129400.]制备的产品NHPC-700制备成锂离子电池，与实施例1、2、3的数据进行对比，如表1所示，从表中可以看出实施例1、2、3得到的负极材料的性能优于文献中公开的产品。

表1

实施例4

取20g畜禽粪便，在厌气条件下采用半坑式堆肥，将畜禽粪便层层堆积压紧密封，1个月后翻倒，在夏秋季节发酵1～2个月，在冬季发酵3～4个月，收集产生沼气与本发明进行对比。

图3为实施例1-3沼气产率，将可以发现实施例3沼气产率最高，效果最好。

将实施例3沼气产量对比常规堆肥发酵，得到如表2所示的数据，可以发现，实施例3的产气量优于实施例4常规堆肥发酵。

表2

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，均在本发明的保护范围内。