CN102226030B - 一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法，该方法包括如下步骤：秸秆的蒸汽爆破处理、秸秆的预处理、合成高倍吸水剂与高倍吸水剂的后处理；本发明制备得到的秸秆基高吸水剂性状及用途：外观为褐色粉末，呈中性，能够吸水普通生活用水400～550倍。成品可用于农业：土壤改良、水土保湿、促进植物根茎的生长、提高发芽率等方面；工业方面：蔬菜水果保鲜、卫生材料吸液剂等方面。

Description

一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法

技术领域

本发明涉及属于农副产品的综合应用以及农用化学品的技术领域，尤其是一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法。

背景技术

近年来，随着我国科技水平的提高以及社会需求的增长，粮、棉等农作物的产量逐年提高，每年形成7亿吨左右的秸秆资源，其中大部分被焚烧，不仅没有使秸秆资源得到有效的再利用，而且造成了环境污染，向空气中排放了大量的二氧化碳和固体微粒。秸秆是一种可再生的生物资源，利用现代化工和生物技术，将秸秆本身或秸秆中的不同组分制备成工业、农业、生物等领域的产品，不仅开发了新的资源利用方式，增强可持续发展的能力，而且缓解了大量秸秆被焚烧所带来的环境污染问题，开辟节能减排新途径，具有重要的经济、政治和环境意义。

高倍吸水剂树脂材料是一种含有羟基、羧基等强亲水性基团，并有一定交联度的树脂材料，它不溶于水和有机溶剂，能够迅速吸收自重几十倍到上千倍水份，具有反复吸水、吸水后的水凝胶可缓慢释放水份供农作物利用的功能，在沙漠治沙、土壤保护、植树造林、食品保鲜、医药品、化妆品等领域显示出巨大的应用潜力，同时以生物秸秆作为基体的高倍吸水剂具有生物可降解性能，具有良好的环境保护的优势。

自1961年美国农务省北方研究所C.R.Rusell等发现淀粉接枝丙烯睛能够吸收大量的水分以来，高倍吸水剂的研发就进入了快速发展的阶段。美国在70年代研发的淀粉类保水剂在玉米、大豆包衣和造林等方面的已经取得了较好的应用效果。日本日淀化学公司针对用淀粉接枝丙烯腈制造吸水剂的过程中，由于加水分解过程时产生反应液为高粘稠物，给制造造成困难，提出用水和甲醇混合溶剂进行水解，不仅解决了水解的难点，而且提高了保水能力和吸水速度。

我国自从八十年代开始高倍吸水剂材料的研究。1982年中科院化学研究所合成出聚丙烯酸钠类高吸水性树脂，吉林省化工设计研究院和河南省化学研究所等科研单位也开展了这方面的研究。所研究的吸水剂类型一般为淀粉接枝丙烯腈皂化水解物、淀粉接枝丙烯酸、聚丙烯腈皂化水解物、聚丙烯酸盐、聚乙烯醇衍生物等。但是目前国内还没有实现吸水剂材料的大规模生产和应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种成本低廉、来源稳定、产品质量优良、制备的吸水材料具有较高的吸水能力和较好的生物可降解性、降低对石化产品的依赖度、减少每年秸秆废弃焚烧后给环境带来的巨大危害的制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法。

按照本发明提供的技术方案，所述一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法包括如下步骤：

(1)、秸秆的蒸汽爆破处理：首先将秸秆原料机械粉碎至1～2cm长度，然后将秸秆原料段装入汽爆机的汽爆料槽中，通入压力为2～6Mpa、温度为180～250℃的水蒸气并保压30～90s，保压完毕后瞬间泄压，泄压后将秸秆释放至敞口容器中，完成蒸汽爆破的过程；

(2)、秸秆的预处理：将蒸汽爆破处理后的秸秆段与水按照1∶10～1∶20的重量比例混合，在70～95℃的温度下搅拌煮制30～60min，得到秸秆糊湿料；

(3)、合成高倍吸水剂：将煮制后的秸秆糊湿料加入到三颈烧瓶中，，往三颈烧瓶内通入惰性气体使得三颈烧瓶为无氧状态，再向三颈烧瓶中投入已用重量百分含量为25％的氢氧化钠溶液调节至pH为6～7的丙烯酸单体溶液并搅拌，丙烯酸单体溶液的投料量为秸秆糊湿料重量的3～8倍，然后依次加入秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量1.5～3.5％倍的过硫酸钾、秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量0.1～0.5％倍的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，在55～60℃的水浴温度下自由基聚合反应1～6小时；

(4)、高倍吸水剂的后处理：将聚合反应后的反应产物放入80～100℃的烘箱中烘干，烘干后粉碎，得到的褐色粉末即为农作物秸秆基高倍吸水剂。

步骤(1)所述的秸秆原料为小麦秸秆和/或水稻秸秆和/或玉米秸秆。

步骤(3)所述的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或者氡气。

本发明制备得到的秸秆基高吸水剂性状及用途：外观为褐色粉末，呈中性，能够吸水普通生活用水400～550倍。成品可用于农业：土壤改良、水土保湿、促进植物根茎的生长、提高发芽率等方面；工业方面：蔬菜水果保鲜、卫生材料吸液剂等方面。

本发明通过采用蒸汽爆破技术处理农作物秸秆，使得秸秆的纤维素、半纤维素、木质素得到一定程度的分离，进而提高了产品的吸水保水能力。本发明的高倍吸水剂生产工艺简单，由于采用蒸汽爆破技术，秸秆的可降解性能得到了提升，属于生物可降解材料。高倍吸水剂的吸水保水性能优良，在抗旱保水、沙漠治沙、草皮制备、医疗卫生、食品加工等领域已经显示出巨大的应用前景，既有效的利用了资源，同时又能避免焚烧秸秆带来的环境污染问题。本发明所采用的自由基聚合法，聚合步骤少，制备方法简单，原料成本低廉，产品质量优良，有较好的吸水性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的高倍吸水性材料属于秸秆基吸水剂，因秸秆富含纤维素，是一种亲水性的多羟基化合物，如将纤维素进行醚化、交联，引入羧基、羟基等亲水基团，其吸水性能将得到较大幅度提升。此外，纤维素基吸水剂的耐盐性强于淀粉基吸水剂，同时具有pH值易调节、抗霉性能优良的特点。

通常情况下，秸秆需要采用酸、碱、氨水或碱蒸煮进行预处理，以增加秸秆的化学反应活性点。但是这种预处理产生了大量的含酸碱废水，不但损害了环境，而且增加了治理成本。本发明采用蒸汽爆破技术对秸秆进行预处理(所用蒸汽爆破设备由鹤壁市汽爆工程技术研究中心提供)。蒸汽爆破技术是指利用高温高压水蒸气处理秸秆原料，并通过瞬间泄压的过程实现秸秆原料组分的分离和结构变化。蒸汽爆破技术处理秸秆原料后，秸秆的主要组成部分纤维素、半纤维素和木质素能得到一定程度的分离，纤维素大分子被打断，活性点增多，秸秆的活化接枝能力得到了增强，不但提高了秸秆基吸水剂的吸水保水能力，而且避免在生产的过程中产生大量的含酸碱废水。

吸水性能测试：是指高吸水性树脂在水中溶胀形成凝胶时吸收水的能力，以吸收倍率作为度量。吸收倍率是指1g高吸水树脂吸收水的量，单位为g/g。本发明采用筛网法测定树脂的吸水性能，将一定量的吸水树脂放入水中，待材料溶胀饱和后，用筛网将剩余的水过滤除去，将吸水凝胶转移至容器中称重。计算公式如下：

$Q=\frac{m_2-m_1}{m_1}$

式中m1为干吸水剂重量，m2为形成水凝胶后吸水剂的重量，Q为吸收倍率。

实施例1

(1)、秸秆的蒸汽爆破处理：首先将小麦秸秆机械粉碎至1～2cm长度，然后取200ml的秸秆段装入汽爆机的汽爆料槽中，通入压力为2Mpa、温度为180～185℃的水蒸气并保压30s，保压完毕后瞬间泄压，泄压后将秸秆释放至敞口容器，完成蒸汽爆破的过程；

(2)、秸秆的预处理：将蒸汽爆破处理后的秸秆段取100g与1000g水按照1∶10的重量比例混合，在70℃的温度下搅拌煮制60min，得到秸秆糊湿料；

(3)、合成高倍吸水剂：将煮制后的秸秆糊湿料取5g加入到三颈烧瓶中，往三颈烧瓶内通入氮气使得三颈烧瓶为无氧状态，再向三颈烧瓶中投入已用重量百分含量为25％的氢氧化钠溶液调节至pH为6的丙烯酸单体溶液并搅拌，丙烯酸单体溶液的投料量为秸秆糊湿料重量的3倍(共计15g)，然后依次加入秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量1.5％倍(即为0.3g)的过硫酸钾、秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量0.5％倍(即为0.1g)的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，在55℃的水浴温度下自由基聚合反应6小时；

(4)、高倍吸水剂的后处理：将聚合反应后的反应产物放入80℃的烘箱中烘干，烘干后粉碎，得到约12克的褐色粉末即为农作物秸秆基高倍吸水剂。

得到的农作物秸秆基高倍吸水剂性状：外观为褐色粉末状，呈中性，吸收普通生活用水的倍率为498g/g。

实施例2

(1)、首先将小麦秸秆机械粉碎至1～2cm长度，然后取200ml的秸秆段装入汽爆机的汽爆料槽中，通入压力为6Mpa、温度为240～250℃的水蒸气并保压90s，保压完毕后瞬间泄压，泄压后将秸秆释放至敞口容器中，完成蒸汽爆破的过程；

(2)、秸秆的预处理：将蒸汽爆破处理后的秸秆段100g与2000g水按照1∶20的重量比例混合，在95℃的温度下搅拌煮制30min，得到秸秆糊湿料；

(3)、合成高倍吸水剂：将煮制后的秸秆糊湿料共3g加入到三颈烧瓶中，往三颈烧瓶内通入氮气使得三颈烧瓶为无氧状态，再向三颈烧瓶中投入已用重量百分含量为25％的氢氧化钠溶液调节至pH为7的丙烯酸单体溶液并搅拌，丙烯酸单体溶液的投料量为秸秆糊湿料重量的8倍(共计24g)，然后依次加入秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量3.5％倍的(即为0.945g)过硫酸钾、秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量0.1％倍的(即为0.027g)N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，在60℃的水浴温度下自由基聚合反应3小时，停止反应；

(4)、高倍吸水剂的后处理：将聚合反应后的反应产物放入100℃的烘箱中烘干，烘干后粉碎，得到约22g的褐色粉末即为农作物秸秆基高倍吸水剂。

得到的农作物秸秆基高倍吸水剂性状：外观为褐色粉末状，呈中性，吸收普通生活用水的倍率为526g/g。

实施例3

(1)、首先将小麦秸秆机械粉碎至1～2cm长度，然后取200ml的秸秆段装入汽爆机的汽爆料槽中，通入压力为4Mpa、温度为210～215℃的水蒸气并保压60s，保压完毕后瞬间泄压，泄压后将秸秆释放至敞口容器中，完成蒸汽爆破的过程；

(2)、秸秆的预处理：将蒸汽爆破处理后的秸秆段与水按照1∶15的重量比例混合，在80℃的温度下搅拌煮制40min；

(3)、合成高倍吸水剂：将煮制后的秸秆糊湿料5g加入到三颈烧瓶中，往三颈烧瓶内通入氮气使得三颈烧瓶为无氧状态，再向三颈烧瓶中投入已用重量百分含量为25％的氢氧化钠溶液调节至pH为6.5的丙烯酸单体溶液25g并搅拌，丙烯酸单体溶液的投料量为秸秆糊湿料重量的5倍，然后依次加入秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量2％倍的(即0.6g)过硫酸钾、秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量0.25％倍的(即0.75g)N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，在58℃的水浴温度下自由基聚合反应1小时，停止反应；

(4)、高倍吸水剂的后处理：将聚合反应后的反应产物放入95℃的烘箱中烘干，烘干后粉碎，得到约20克的褐色粉末即为农作物秸秆基高倍吸水剂。

得到的农作物秸秆基高倍吸水剂性状：外观为褐色粉末状，呈中性，吸收普通生活用水的倍率为508g/g。

Claims (3)

1. 一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)、秸秆的蒸汽爆破处理：首先将秸秆原料机械粉碎至1~2cm长度，然后将秸秆原料段装入汽爆机的汽爆料槽中，通入压力为2~6MPa、温度为180~250℃的水蒸气并保压30~90s，保压完毕后瞬间泄压，泄压后将秸秆段释放至敞口容器中，完成蒸汽爆破的过程；

(2)、秸秆的预处理：将蒸汽爆破处理后的秸秆段与水按照1:10~1:20的重量比例混合，在70~95℃的温度下搅拌煮制30~60min，得到秸秆糊湿料；

(3)、合成高倍吸水剂：将煮制后的秸秆糊湿料加入到三颈烧瓶中，往三颈烧瓶内通入惰性气体使得三颈烧瓶内为无氧状态，再向三颈烧瓶中投入已用重量百分含量为25%的氢氧化钠溶液调节至pH为6~7的丙烯酸单体溶液并搅拌，丙烯酸单体溶液的投料量为秸秆糊湿料重量的3~8倍，然后依次加入秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量1.5~3.5%倍的过硫酸钾、秸秆糊湿料和丙烯酸单体总质量0.1~0.5%倍的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，在55~60℃的水浴温度下自由基聚合反应1~6小时；

(4)、高倍吸水剂的后处理：将聚合反应后的反应产物放入80~100℃的烘箱中烘干，烘干后粉碎，得到的褐色粉末即为农作物秸秆基高倍吸水剂。

2.如权利要求1所述的一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法，其特征在于：步骤(1)所述的秸秆原料为小麦秸秆和/或水稻秸秆和/或玉米秸秆。

3.如权利要求1所述的一种制备农作物秸秆基高倍吸水剂的方法，其特征在于：步骤(3)所述的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或者氡气。