CN103865552B - 一种基于农林废弃物制备生物炭的方法及生物炭 - Google Patents

一种基于农林废弃物制备生物炭的方法及生物炭 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于农林废弃物制备生物炭的方法，包括如下具体步骤：（1）将农林废弃物进行处理，得到干燥的粉末状生物质原材料；（2）将生物质原材料置入绝氧并通保护气体且密封的处理器中，然后进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1～3小时；（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨过筛、活化剂活化、蒸馏水洗涤和烘干后得到固体生物炭。本发明制备工艺简单，原料易得、成本低；制得的生物炭表面具有良好的吸附特性，能够对环境介质中的各种污染物进行吸附、消除，在农业和环境领域中具有广阔的应用前景。

Description

一种基于农林废弃物制备生物炭的方法及生物炭
技术领域
本发明涉及生物质资源化利用和环境污染修复领域，尤其涉及一种基于农林废弃物制备生物炭的方法及由此方法制得的生物炭。
背景技术
2006年《Nature》上刊登的一篇名为“Black is the new green”的文章引发了近年来关于生物炭（biochar）种种益处的讨论和研究热潮。生物炭属于黑炭（black carbon）范畴的一种，具有农用意义、能源生产、环境效益等多方面重要性，通过一定技术手段制备的生物炭在改良土壤肥力、碳库中的“增汇减排”作用、环境污染修复手段等方面已经显示出其突出的功效，并且可用于制备生物炭的原材料来源广泛，使得其在农业和环境中具有广阔的应用前景，近年来成为土壤学和环境科学领域的研究热点。从微观结构上看，生物炭表面具有疏松多孔特征，故有着比表面积大、表面能高的特点。生物炭表面官能团主要包括羧基、酚羟基、羰基、酸酐、内酯等多种基团，并具有很大的阳离子交换量（CEC），这些特征使得生物炭具有良好的吸附特性，能够对环境介质中的各种污染物进行吸附、消除，从而减少潜在的环境风险。生物炭影响农业土壤环境中持久性有机物污染物、重金属、农药、氮磷等的形态、迁移转化、生物有效性及生态效应等均已被广泛的研究人员所报道。来源于植物的农林废弃物主要是由C、H、O、N、S等元素组成，富含多种可利用生物质，其中纤维素和半纤维素是重要的两种。作为传统的农业大国，中国生物质种类多样、分布广泛，资源丰富，每年产生的农林废弃物达到7亿多吨，利用炭化技术制成生物炭是一种变废为宝的新途径，同时有助于解决农业环境问题，发展潜力巨大，在农业领域和环境学科中被认为是具有广阔发展空间的理想工具。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于农林废弃物制备生物炭的方法，采用农林生产过程中产生的废弃物作为生物质原料，制得的生物炭能够作为吸附剂，应用于污水处理等领域，制备工艺简单、成本低廉，而且有益于农林废弃物资源化循环利用。基于此，本发明还提供前述方法制得的生物炭。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于农林废弃物制备生物炭的方法，包括如下具体步骤：
（1）将农林废弃物进行处理，得到干燥的粉末状生物质原材料；
（2）将生物质原材料置入绝氧并通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3小时；
（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭。
优选地，所述农林废弃物为植物源农林废弃物或动物源畜禽粪便。
其中，所述植物源农林废弃物为水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳中的任意一种或多种。
其中，所述动物源畜禽粪便为鸡粪、猪粪、牛粪等中的任意一种或多种。
优选地，步骤（1）中，将农林废弃物依次经过除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中100℃～120℃下烘烤6～24小时。
优选地，所述处理装置为气氛箱式炉或真空管式炉，通过抽真空和通入保护气体使所述处理装置内腔形成真空或绝氧状态。
优选地，进行第一阶段的升温处理时，升温速率为6℃/min～10℃/min。
优选地，进行第二阶段的升温处理时，升温速率为2℃/min～4℃/min。
优选地，进行第一阶段的升温处理时，当升温到终温后保温25～55分钟。
优选地，步骤（3）中，研磨后经过20～100目筛。
优选地，所述活化剂活化具体为：用浓度为1mol/L～3mol/L的酸溶液或碱溶液作为活化剂浸泡2-6小时。
本发明的一种生物炭，由前述的方法制得。
与现有技术相比，本发明的基于农林废弃物制备生物炭的方法具有如下优点：
（1）本发明制备工艺简单，实验室内即可完成，利用水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣和花生壳、鸡粪、猪粪、牛粪等农林废弃物为原材料，价格低廉，原料充足易得，且有益于环境保护；
（2）本发明制备的生物炭表面具有疏松多孔特征，比表面积大、表面能高，生物炭表面官能团包括羧基、酚羟基、羰基、酸酐、内酯等多种基团，并具有很大的阳离子交换量（CEC），这些特征构成了生物炭具有良好的吸附特性，能够对环境介质中的各种污染物进行吸附、消除，从而减少潜在的环境风险，故在农业和环境领域中具有广阔的应用前景；
（3）本发明制备的生物炭有助于环境中CO2的固定，同时有利于减少温室气体的排放，对气候变暖这个全球性问题的减缓具有积极的促进作用；
（4）本发明制备生物炭同时产生的生物焦油、气体燃料等属于能源化工领域，可以增加附加值，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明利用农林废弃物制备生物炭的方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明的基于农林废弃物制备生物炭的方法，包括如下步骤：
（1）将农林废弃物进行处理，得到干燥的粉末状生物质原材料；
其中，农林废弃物生物质可为水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳等植物源生物质或鸡粪、猪粪、牛粪等动物源畜禽粪便；
处理手段可包括除杂、洗涤、干燥、粉碎过筛；
（2）将生物质原材料置入绝氧并通保护气体且密封的处理器中，然后进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3个小时；
其中，处理器中采用抽真空、通氮气等保护气体、密封的处理，形成处理环境。在此步骤中，通过快速升温，使生物质裂解，排出水分、硫化物、可燃气体；然后再通过慢速升温至高温，在高温下隔氧裂解，排出木醋液、生物焦油，得到的生物焦油回收利用；
（3）然后冷却至室温，将步骤（2）得到的物质依次经过研磨、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭。
本发明的生物炭制备方法在效果验证中涉及的农林废弃物制备生物炭的产率计算公式如下：
其中，M（烧前原料）代表制备前生物质的质量，M（烧后产物）代表制备后生物炭的质量。
本发明的生物炭制备方法在效果验证中涉及的污物中污染物的定性定量分析方法使用高效液相色谱法（HPLC）：
污染物采用Waters2695型高效液相色谱仪进行定量分析，色谱条件如下：
检测器：Waters2489紫外可见光可变波长检测器
柱温箱：30℃
色谱工作站：EmpowerTM2
固定相：Waters Atlantis HILIC，XTerra MS C18，Symmetry Shield RP18（5μm，4.6×150mm）
流动相：水/甲醇/乙腈
进样量：10μL
检测波长：254nm
本发明制备生物炭的方法在效果验证中，有害物质的去除率计算公式如下：
其中，C0表示吸附实验前有害物质的初始浓度，C1表示的是吸附实验结束后有害物质的浓度。
实施例1
将收集到的水稻秸秆去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干24小时，粉碎成稻秆颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以6℃/min的速度快速升至220℃，停留30min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻秸秆生物炭，经计算，水稻秸秆生物炭的产率为43.9%。
效果验证：将本实施例制得的水稻秸秆生物炭和具有一定浓度的阿特拉津水溶液按固液比例为0.5%进行充分混合，恒温避光振荡12小时进行吸附实验，阿特拉津的去除率为79.4%。
实施例2
将收集到的水稻壳去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于120℃烘箱内烘干6小时，粉碎成稻壳颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以8℃/min的速度快速升至250℃，停留25min，然后以3℃/min的速度缓慢升至550℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻壳生物炭，水稻壳生物炭的产率为38.4%。
效果验证：将本实施例制得的水稻壳生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为3%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为97.6%。
实施例3
将收集到的木屑去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干12小时，粉碎成木屑粉粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以10℃/min的速度快速升至260℃，停留45min，然后以4℃/min的速度缓慢升至750℃，继续隔氧裂解1小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过100目筛，用2mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到木屑生物炭，木屑生物炭的产率为26.1%。
效果验证：将本实施例制得的木屑生物炭和具有一定浓度的百草枯水溶液按固液比例为5%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，百草枯的去除率为92.3%。
实施例4
将收集到的中药渣去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于120℃烘箱内烘干24小时，粉碎成中药渣颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以6℃/min的速度快速升至240℃，停留55min，然后以4℃/min的速度缓慢升至550℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到中药渣生物炭，中药渣生物炭的产率为27.9%。
效果验证：将本实施例制得的中药渣生物炭和具有一定浓度的草甘膦水溶液按固液比例为10%进行充分混合，恒温避光振荡18小时进行吸附实验，草甘膦的去除率为99.2%。
实施例5
将收集到的水稻秸秆去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干12小时，粉碎成稻秆颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以10℃/min的速度快速升至250℃，停留30min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到水稻秸秆生物炭，水稻秸秆生物炭的产率为43.9%。
效果验证：将本实施例制得的水稻秸秆生物炭和具有一定浓度的异丙隆水溶液按固液比例为1%进行充分混合，恒温避光振荡24小时进行吸附实验，异丙隆的去除率为94.6%。
实施例6
将收集到的鸡粪去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于110℃烘箱内烘干18小时，粉碎成鸡粪颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以6℃/min的速度快速升至230℃，停留40min，然后以4℃/min的速度缓慢升至750℃，继续隔氧裂解2小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过100目筛，用1mol/L氢氧化钠溶液浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到鸡粪生物炭，鸡粪生物炭的产率为52.99%。
效果验证：将本实施例制得的鸡粪生物炭和具有一定浓度的多环芳烃（PAHs）水溶液按固液比例为2%进行充分混合，恒温避光振荡48小时进行吸附实验，PAHs的去除率为63.2%。
实施例7
将收集到的牛粪去除杂质后，用自来水洗涤干净，自然风干后置于100℃烘箱内烘干24小时，粉碎成牛粪颗粒后放入气氛箱式炉，密封，抽真空，通入保护气体氮气，以8℃/min的速度快速升至250℃，停留35min，然后以2℃/min的速度缓慢升至350℃，继续隔氧裂解3小时，冷却至室温，然后取出产物，研磨过60目筛，用3mol/L氢氧化钾溶液浸泡活化，蒸馏水洗涤和烘干后得到牛粪生物炭，牛粪生物炭的产率为43.0%。
效果验证：将本实施例制得的牛粪生物炭和具有一定浓度的PAHs水溶液按固液比例为2%进行充分混合，恒温避光振荡12小时进行吸附实验，PAHs的去除率为71.5%。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
(1)将农林废弃物进行处理，得到干燥的粉末状生物质原材料；
(2)将生物质原材料置入绝氧并通保护气体且密封的处理器中，进行两阶段的升温处理，第一阶段的升温处理为从常温快速升温至220℃～260℃，第二阶段的升温处理为从第一阶段的终温慢速升至350℃～750℃，继续隔氧裂解1-3小时；
(3)然后冷却至室温，将步骤(2)得到的物质依次经过研磨过筛、活化剂活化、洗涤和烘干后得到固体生物炭。
2.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述农林废弃物为植物源农林废弃物或动物源畜禽粪便，所述植物源农林废弃物为水稻秸秆、水稻壳、木屑、中药渣、花生壳中的任意一种或多种；所述动物源畜禽粪便为鸡粪、猪粪、牛粪中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，步骤(1)中，将农林废弃物依次经过除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中100℃～120℃下烘烤6～24小时。
4.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述处理器为气氛箱式炉或真空管式炉，通过抽真空和通入保护气体使所述处理器内腔形成真空或绝氧状态。
5.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，进行第一阶段的升温处理时，升温速率为6℃/min～10℃/min。
6.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，进行第二阶段的升温处理时，升温速率为2℃/min～4℃/min。
7.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，进行第一阶段的升温处理时，当升温到终温后保温25～55分钟。
8.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于：步骤(3)中，研磨后经过20～100目筛。
9.根据权利要求1所述的基于农林废弃物制备生物炭的方法，其特征在于，所述活化剂活化具体为：用浓度为1mol/L～3mol/L的酸溶液或碱溶液作为活化剂浸泡2-6小时。
10.一种生物炭，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的方法制得。
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