专利名称：利用微藻的碳质粉富集及相关方法
技术领域：
本发明广泛涉及利用水介质中所含的微藻进行碳质粉特别是煤粉和炭粉的富集。本发明还涉及与这种方式的碳质粉富集相关的各种过程。一种这样的过程是从水中清除微藻，至少一个目的是净化水，同时富集碳质粉。另一个相关的过程是生产碳质粉的团聚体，其形式通常是压块或者是丸粒，压块形式是在升高的压力下模制并且经常伴随有在升高的温度下固化的团聚体，而丸粒形式作为常规造粒过程的产物具有更随机的形状和尺寸。当然，可将碳质粉和微藻生物质的混合物直接进料到合适的过程中，在该过程中可以使用该混合物，如果碳质粉尤其是煤粉的粒径不是太小则尤其可能。在任一情况下，碳质粉和微藻的混合物可用于加热、能源发电、矿物加工、合成气生成以及任何其它合适的过程。应该理解的是，在本说明书中所用的术语碳质粉旨在包括其它的适当粉碎的碳质材料，如粉碎的焦炭等。通常，任何碳质粉以及可根据本发明进行处理的粉料的粒径小于约2mm,并且粒径范围可下降到非常小的粒径。此外，术语团聚体用于包括压块、丸粒和任何其它的多颗粒团聚物。
背景技术：
煤炭开采及加工产生大量煤粉，煤粉不能应用于大多数普通的煤应用，如能源发电。如果煤粉是相对粗糙和自由流动的，则它们通常可以通过前端装载机和其它常规土方设备进行回收，并且很有可能用作流化床锅炉或特别设计的粉煤锅炉的燃料。废煤粉的其它潜在用途取决于更详细的品质特性，包括尺寸分布、挥发物的性质和含量、硫含量、可研磨性、灰分含量、其它燃烧特性和水分含量。当废煤粉不符合无需进一步处理使用的特定初级特性时，需要将它们配制成满足这些初级特性的燃料产物。针对煤粉的回收和燃料产物配方已经提出了各种系统，主要是通过压块或造粒过程中的一种或其它形式进行，例如，美国专利6，165，238,6, 530, 966和6，626，966中描述的。一些团聚过程需要添加粘合剂，通常是石油衍生的粘合剂，以得到稳定和坚固的压块或颗粒。其它的团聚过程不使用任何额外的粘合剂并通过采用更严苛的处理条件，主要是压块或造粒过程中的高压以及固化过程中的高温，来确保压块或丸粒的稳定性和坚固性。废煤粉通常是在池中沉积为水浆料形式，随后蒸发水以使沉积物在被覆盖前稳定化。这样的废煤不仅是巨大的经济损失，而且由于干煤粉会自燃将大量二氧化碳和其它有害气体释放至大气中，所以堆填场也存在显著的环境问题。此外，在潮湿期中可能发生泄漏，特别是酸性水泄漏，浸出的化学物和矿物质进入到周围地下水中是真正的危险。作为一个单独的问题，许多工业活动，包括商业性农业实践、采矿实践以及市政和工业废水处理实践，导致地表淡水水源如水坝和河流受到污染。这种受污染的水系统经常具有大量藻类生长活动，结果导致该水系统可被称为“绿化”。虽然在受污染的水系统中的藻类生长可能具有消除水中的营养物和矿物质的益处，但是由于将藻类从水系统中清除的复杂性，所以这通常表示实质性的水质量问题。由于微藻的尺寸小，因而微藻一般被视为难以通过利用诸如沉淀、过滤等常规技术来清除。但是，如果不从水系统中清除，藻类将最有可能死亡；随着藻类的腐烂使营养物和矿物质回到水中，由此刺激细菌生长。水系统中的藻类也会释放大量恶臭化学品进入水中，导致这样的水不适合人类和动物饮用。发明目的本发明的一个目的是提供一种利用水介质中所包含的微藻来富集煤粉和炭粉的方法。本发明的另一个目的是提供一种处理含微藻的水的方法。本发明的再一个目的是提高含微藻的水的质量。本发明的再一个目的是提供一种不添加石油衍生粘合剂使得煤粉和炭粉可有效团聚的方法。
发明内容
根据本发明，提供一种用于处理含微藻的水的方法，用以移除其中的至少一部分微藻，该方法的特征在于，该方法包括在允许微藻被吸附到碳质粉颗粒上的条件下使碳质粉与所述水接触，以及将碳质粉及其上吸附的微藻一起与所述水分离。本发明的进一步的技术特征限定所述碳质粉为煤粉；煤粉可以根据要求进行预处理以生产具有合适尺寸范围的颗粒，其目的是利于吸附、利于在微藻吸附之前和之后处理煤粉以及利于通过适合选定的煤粉粒径范围的过程将煤粉及其上吸附的微藻一起与所述水分离；煤粉经预处理以移除任何不合适的或有价值的材料，例如从中移除矿物；将碳质粉与含微藻水的接触通过形成碳质粉在水中的浆料或使所述水通过含碳质粉的床或柱来进行；碳质粉上吸附的微藻的负载量为碳质粉重量的1% 25%的微藻,优选2% 15%,最优选5% 10% ；以及在微藻被吸附在碳质粉上期间或之后对浆料进行电化学絮凝。在本发明的一个应用中，主要动机因素可以是煤粉的富集，在这种情况下，如果煤粉有适当的尺寸和组成，则煤粉及其上吸附的微藻可直接用于合适的应用，如作为流化床锅炉或特别设计的粉煤锅炉中的燃料。在本发明的另一应用中，主要动机因素可以是通过使碳质粉和微藻生物质的混合物团聚从而在特定用于回收和升级废碳质粉的商用光生物反应器系统中收获在水中培养的微藻。在这种情况下，水通常循环经过光生物反应器系统，并且通过这样做，保持微藻残余含量，实际上用于开始一个微藻生长过程的新周期。在本发明的又一应用中，主要动机因素可以是受污染水系统的升级，这种污染可以是自然发生的；所述水系统由于人工生产的促进微藻生长以及由于一个或多个因素的影响产生的营养增加而受到污染；或者所述水系统形成商用水处理过程的一部分。不管动机如何，本发明实现了用于升级受污染水系统并且同时升级由此回收的废煤粉的互补技术。为了可以更充分地理解本发明，将参照附图描述本发明的更详细讨论和各种实施例和替代实施方案。
在附图中，图1是示出根据本发明的方法的各种可能性的流程图。
参照附图详细说明如图中所示，本发明的方法可根据情况和要求包括分选步骤[I]，其中煤粉或其它碳质粉经过预处理以产生至少一个合适的粒径范围，并且可适当地产生多个合适的粒径范围，如用附图标记[2]表示的。在产生多于一个粒径范围的情况下，每个粒径范围可以根据利于微藻吸附，利于在微藻吸附之间和之后处理碳质粉以及利于碳质粉及其上吸附的微藻与水分离的要求进行不同的处理，分离方法通常被很大程度上取决于最终粒径。粉粒分选方式不是关键，例如可以是筛分、旋风分级、基于密度的方法如螺旋分选、水力旋流和重介质旋风。另外，可根据碳质粉特性的需要，将碳质粉在进一步的预处理步骤[3]中进行处理，用以移除任何不合适或有价值的材料如矿物。不合适的材料可以是对沿生产线的团聚体性能可能有不利影响的那些，例如当其用于产生热能时发生污染问题。预处理的主要目的通常是从粉粒中移除矿物，这可以通过常规技术来实现。预处理可以选择为实现特定加工和质量目标。煤粉的粒径分布可以选择为允许快速有效地吸附微藻，同时使得固液分离尽可能的简单有效。当然，移除任何不合适或有价值的材料的煤粉处理可以提前到分选步骤之前进行。本发明不对可用于吸附微藻的碳质粉的粒径作出任何限制。但是，优选对碳质粉进行分选以提供合理的等粒径分布。碳质粉在经过任何预处理后在接触步骤[4]中通过适合煤粉的粒径范围的过程与含微藻的水接触。接触通常可通过形成煤粉在含微藻水中的浆料或通过使水通过含煤粉的床或柱来进行。在任一情况下，实施接触的方式的目的是使得碳质粉上吸附的微藻在碳质粉上的负载量优选为5 10wt%。在任何情况下，微藻的实际吸附量将取决于碳质粉-微藻混合物的最终用途，以及用于使混合物团聚的任何方法。因此，对于低压低温压块，相比于在更高的压块温度和固化温度下进行的压块的情况而言，有利于更高的微藻量。为了实现所需的微藻负载，首先基于每体积基准(例如克/升、克/立方米等)的干重确定在源水中的微藻量，并且由此确定待混合的碳质粉和含水微藻的量。如上所述，含微藻的水可以是自然发生的或受污染的水，但是其通常来自商用光生物反应器系统，如附图标记[5]所示，在这种情况下，该接触构成在水中专门培养的微藻的收获。在这种情况下，水通常被重新循环至光生物反应器系统，并且通过这样做，保持任何的微藻残余含量，并且实际上用于开始一个微藻生长过程的新周期。根据需要，随后对任何浆料进行分离步骤[6]，该步骤的性质将在很大程度上取决于碳质粉的颗粒粒径。因此，当使用相对粗的煤粉时，从水中的回收通常可通过固体沉淀来实现。当使用不易沉降的较细煤粉或其它碳质粉时，可以采用其他技术如泡沫浮选以从浆料中回收固体。在分离后，可根据需要使用碳质粉以及吸附在其上的微藻。如果合适的话，它们可以直接用于合适的应用，如作为如附图标记[7]所示的流化床锅炉或专门设计的粉煤锅炉的燃料。或者，更通常的是，对碳质粉以及吸附在其上的微藻一起进行团聚步骤[8]，其中形成煤粉的压块或丸粒。团聚体可基于特定目的进行定制并且可以包括可在团聚过程之前或期间添加的附加成分。压块或造粒可以任何合适的方式来实现。所得压块或丸粒的固化也可以利用任何已知或其它技术来完成。固化温度范围可以为约50°C至约150°C。固化的确切温度和时间至少在一定程度上是通过最终团聚体的期望水含量确定的，并且这进而取决于最终的压块或丸粒的用途或应用。因此，相比于用于加热或产热目的的压块或丸粒，用于气化目的的压块或丸粒可具有更高的水量。
实施例实施例1:确定煤粉的微藻负载能力。在2000L管式光生物反应器中培养微藻混合物，生长培养基中所含的微藻含量如下确定。对日立HIMAG离心机的6个离心管进行预称重(表1)，使用5ml移液管将5ml含藻的生长培养基引入每个管中。将含藻溶液在4000rpm下离心10分钟，滗去上清液。将湿藻在110°C下干燥2小时(不洗涤);将管冷却并重新称重，以允许计算藻的干重负载量(表I)。在5升的含微藻水中加入足量的煤粉浆(得自Witbank矿，RSA的未处理原浆，含有124.8克固体/Kg浆料)，以得至IJ 2.0,5.0、10.0和15.0wt%的微藻负载量(表2)。将微藻-煤粉混合物快速混合约20秒，然后将其滤过滤布(200g/m2)，注意到表示浆料中的游离微藻的第一绿色残余物的外观。只有旨在得到最终15wt%微藻的混合物表现出在混合物中的游离微藻。本实施例表明:(a)微藻被煤粉快速吸附，和(b)煤粉可吸附微藻，至多为所用煤粉重量的约15wt%。表1:在生长培养基中的微藻负载量
管(g)__管+藻(g)__藻(g)__藻/L (g/L)
5.6883 —5.6936~0.00531.06~
5.5946 —5.59960.005Γ
5.6264 "5.6314"0.0051_
5.4389 —5.4440.00511.02
5.5146 —5.520Γ0.00551.1~
5.49 I5.49560.00561.12
平均1.05 表2:吸附程度测定
权利要求
1.一种用于处理含微藻水的方法，用以移除其中的至少部分微藻，其特征在于，所述方法包括使碳质粉与所述水在允许微藻吸附到碳质粉颗粒上的条件下进行接触，以及将碳质粉及其上吸附的微藻一起与所述水分离。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述碳质粉是煤粉。
3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述碳质粉根据需要进行预处理以生产适合选自以下一种或多种目的的颗粒粒径范围:利于吸附；利于在所述微藻吸附之前和之后处理所述碳质粉；以及利于通过适合所述碳质粉的选定粒径范围的过程将所述碳质粉及其上吸附的微藻一起与所述水分离。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳质粉与含微藻水的接触通过形成所述碳质粉在所述水中的浆料来进行。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述微藻吸附在所述碳质粉上的期间或之后，对所述浆料进行电化学絮凝。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳质粉上吸附的微藻的负载量为所述碳质粉重量的1% 25%的微藻。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述碳质粉上吸附的微藻的负载量为2wt% 15wt%。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述碳质粉上吸附的微藻的负载量为5wt% 10wt%o
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法用作富集碳质粉的方法的一部分，并且所述碳质粉及其上吸附的微藻一起进行团聚过程，用以生产所得混合物的团聚体。
10.如权利要求9所述的方法，其中为特定目的对所述团聚体进行定制，并且所述团聚体包括在所述团聚过程之前或期间能添加的附加成分。
11.如权利要求1或3-10中任一项所述的方法，其中所述碳质粉包含不同的碳质材料的粉料，所述碳质材料包括煤、炭和焦炭中的两种以上。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括通过碳质粉与微藻生物质混合物的团聚，在专用于回收和升级废碳质粉的商用光生物反应器系统内收获水中培养的微藻。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括商用水处理过程中的受污染水系统的升级。
14.一种如权利要求1-13中任一项所述的方法的产物。
全文摘要
提供一种用于处理含微藻水的方法，其中将水与碳质粉接触以将微藻吸附到碳质粉颗粒上。碳质粉可以是煤粉或炭粉或其混合物。碳质粉可进行预处理以从中移除如何不合适或有价值的材料；或生产适合选自以下的一个或多个目的的粒径范围利于吸附；利于在微藻吸附之前和之后处理碳质粉；以及分离碳质粉及其上吸附的微藻。该方法的目的可以是碳质粉的富集，并且碳质粉及其上吸附的微藻一起可进行团聚过程，用以生产团聚体，例如压块或丸粒。该方法的目的可以是商用水处理过程中的受污染水系统的升级。
文档编号C02F9/00GK103118754SQ201180041182
公开日2013年5月22日 申请日期2011年8月16日 优先权日2010年8月23日
发明者伯纳德·兹力, 加里·莫里斯·达格莫里 申请人:纳尔逊曼德拉都市大学