CN103936002B - 一种水葫芦生物碳的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水葫芦制备生物碳的方法。其主要技术特征在于:以水葫芦叶柄膨大部分为原料，将原料清洗干净、切碎后，进行初步脱水，之后进入冷冻干燥机进行充分脱水，冷冻干燥后的原料放置于管式炉,在无氧条件（预通氮气驱除炉内空气）下,快速升温，原料达到设定温度并保持恒温一定时间后,得到水葫芦生物碳。采用此法制备的生物碳具有良好的结构及稳定的性能，是优质活性炭，用途广泛。本发明为水葫芦资源化利用开辟了一条新途径，有助于解决目前令人头痛的水葫芦生态入侵问题。

Description

一种水葫芦生物碳的制备方法
技术领域
本发明涉及生物碳的制备方法，具体涉及一种水葫芦生物碳的制备方法。
背景技术
水葫芦( water hyacinth) ，是多年生漂浮性草本植物。水葫芦的耐肥力、抗病性都很强，是世界上生长、繁殖最快的水生植物之一。水葫芦属于外来入侵物种；改革开放后，我国经济快速发展，水体富营养化问题凸显，导致水葫芦疯长，带来严重的生态环境问题。水葫芦的治理是一个艰巨的任务。除了高昂的打捞费用，如何处理数量巨大的水葫芦是一个很棘手的问题。一般采用直接填埋，但这需要大量的地而且填埋后水葫芦还是会散发出恶臭味；更糟糕的是：因其吸附了重金属等水体污染物，填埋又容易造成地下水污染。
从另外的角度看，数量庞大的水葫芦蕴藏着巨大的生物质资源，如果能将水葫芦资源化利用，就可以变废为宝，解决水葫芦问题。考虑到水葫芦中（特别是其球状茎，即是水葫芦的‘葫芦’部分）含有大量优质多孔纤维，可以制成性能优良的活性碳，为大规模实现水葫芦资源化提供新的途径，本发明提出了制备水葫芦生物碳的方法。
生物质碳化一般是指生物质在一定条件下发生的不完全热降解，产物为称为碳（生物碳）。目前国内外很多专家认为生物碳化对于地球环境具有多种好处。其一，生物碳化对于通过生物质碳化把生物质内的碳被锁定生物碳内，从而减少了二氧化碳等温室气体的排放量，有助于减轻全球气候变暖。其二，生物碳的用途广泛，性能优良的生物碳可作为活性炭广泛应用于污水处理、废气处理等领域；普通的生物碳可以作为土壤改良剂，因其孔洞结构很容易聚集营养物质和有益微生物，从而使土壤变得肥沃，利于植物生长，实现增产的同时让农业更具持续性。目前，采用水葫芦为原料制作高品质生物碳的文献还未见报道。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种水葫芦生物碳的制备方法，该法工艺简单，操作方便，容易实现大规模生产，为治理泛滥成灾的水葫芦提供了一个良好途径。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种水葫芦生物碳的制备方法，包括如下步骤：
将水葫芦球状茎洗净、切碎、初步脱水后，进行冷冻干燥，之后置于管式炉内，预通氮气并快速升温，到达设定温度后，在高温、无氧条件下恒温，得到水葫芦生物碳。
优选地，所述水葫芦球状茎为水葫芦切除水葫芦的根和叶，只取其叶柄膨大部分（该部分具有良好的纤维）。
优选地，所述洗净为用水淋洗；所述切碎的切碎程度为0.5~1cm，初步脱水为自然晾晒6~8天或采用烘干机烘干1天至含水率为12%~15%；所述冷冻干燥为将初步脱水后的物质于干燥机冷冻干燥4~6小时至含水率1.5%~4.5%。
优选地，所述无氧环境是往管式炉预通10~25分钟气速为180~300cm3/min的氮气，以排出炉内空气，实现无氧的条件。
优选地，所述快速升温指到达设定温度的时间≤ 18 min，其中所述设定温度为600~650℃；所述恒温时间为45~60分钟（控温精度±1℃）。
本发明所得产品水葫芦生物碳为高品质活性炭，具脱色、提纯、除杂、除臭、去异味、载体、净化、回收等功能；可作为吸附剂用于水处理，还可用作气体吸附剂净化工业尾气、化学工业中的催化剂及催化剂载体等；水葫芦生物碳为相对低端的活性炭（成本也相对较低），可用作复合肥添加剂、污水处理吸附剂、土壤改良剂（木炭的多孔结构使它能像海绵一样保存水分和水中营养物质，这正是贫瘠的土壤所匮乏的）等。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
本发明主要的特点在于从资源化的角度来看待水葫芦，充分利用水葫芦的球状茎的良好纤维结构，将其变废为宝。根据水葫芦的含水量高的、不易加工的特点采用了初步脱水—冷冻干燥的工艺，此步骤与其他干燥方法相比，物料的物理结构和分子结构变化极小，其组织结构被较好地保存，且脱水充分；此外为了获得高品质水葫芦生物碳，采用了‘无氧条件+精确控温’的工艺。与现有的生物碳制造技术相比，本发明最大的特点是采用水葫芦（主要利用其球状茎的良好纤维结构）作为原料来源，因而具有原料价廉易得并且质量优良的优点。实际上，目前在很多地区，除了打捞费用由政府负责外，水葫芦的处理处置还可以获得政府额外的补贴，因而水葫芦的资源化利用前景广阔。
附图说明
图1 为水葫芦制备生物碳的流程。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将水葫芦切除根以及叶，只取叶柄膨大部分（球状茎）；用干净水（自来水）将表面杂质清洗干净；切碎水葫芦球状茎，其切碎程度为0.6cm。于光线充足处自然晾晒8天，至含水率12.1%。初步脱水后原料置于冷冻干燥机6小时；至含水率1.5%。将冷冻干燥后的原料投入管式炉，在加热前，往炉内通25分钟气速为300cm3/min的氮气，以排出炉内的空气。设定反应温度为600℃， 15分钟达到目标温度；保持恒温时间60分钟（调节控温元件使温度±1℃）。恒温热解完成后，关闭电源，保持反应炉的封闭状态，隔绝空气，自然降温。降至室温之后取出，迅速置于干燥容器内，避光保存，得到水葫芦生物碳（其流程如图1所示），产品编号为BCH600。
取水葫芦生物碳（10 ± 0.1）mg生物碳（编号BCH600），按照固液比 1:1000(g/ml)加入 10 ml 浓度范围为的 20~100 mg/L 的 Cd(NO3)2 溶液；置于具塞样品瓶中，(25 ±1) ℃下匀速振荡12小时(吸附动力学预实验表明此时间内吸附达到平衡)，溶液pH≈7。测得 Cd()去除率93%-97%。此法可以为去除农村微污染水中的痕量金属提供一条现实途径。
实施例2
将水葫芦切除其根以及叶，取其茎部（整个茎部），用水淋洗；切碎至1cm，阳光下自然晾晒6天，至含水率14.8%。将初步脱水后的原料投入管式炉，在加热前，往炉内通20分钟气速为250cm3/min的氮气，使反应炉内为无氧环境。设定反应温度为450℃，快速升温（8分钟达到目标温度），随后恒温反应时间为40分钟，恒温热解完成后，关闭电源，保持反应炉的封闭状态，自然降温，得到水葫芦生物碳（降至室温之后取出）。产品编号为BCL450。
相比于BCH600，BCL450成本较低，可用作土壤改良剂；还可作为肥料增效载体制作生物碳延缓复合肥，该复合肥可以延缓肥料在土壤中的养分释放，降低养分损失，提高肥料养分利用率。
采用水葫芦生物碳（产品编号为BCL450）与硫酸铵、氯化钾、普通过磷酸钙掺混制作水葫芦生物碳载体掺混肥。按重量百分比计：水葫芦生物碳50～65％，硫酸铵 15～20％、氯化钾 10～15％和普通过磷酸钙10～15％。使用量为 (60 ± 1)kg/ 每亩地（约为90 g /m2）,在相同的条件下，与仅使用同重量肥料（硫酸铵+ 氯化钾+ 普通过磷酸钙）而不加所述生物碳的情况对照，萝卜增产17~22 %，玉米增产13~19 %。

Claims (4)

1.一种水葫芦生物碳的制备方法，其特征在于：将水葫芦球状茎洗净、切碎、初步脱水后，进行冷冻干燥，之后置于管式炉内，预通氮气并快速升温，到达设定温度后，在高温、无氧条件下恒温，得到水葫芦生物碳；所述初步脱水为自然晾晒6~8天或采用烘干机烘干1天至含水率为12%~15%；所述冷冻干燥为将初步脱水后的物质于干燥机冷冻干燥4~6小时至含水率1.5%~4.5%；所述无氧环境是往管式炉预通10~25分钟气速为180~300cm3/min的氮气，以排出炉内空气，实现无氧条件；所述快速升温指到达设定温度的时间≤ 18 min，其中所述设定温度为600~650℃；所述恒温时间为45~60分钟。
2.如权利要求1所述一种水葫芦生物碳的制备方法，其特征在于：所述水葫芦球状茎为水葫芦切除水葫芦的根和叶，只取其叶柄膨大部分。
3.如权利要求1所述一种水葫芦生物碳的制备方法，其特征在于：所述洗净为用水淋洗；所述切碎的切碎程度为0.5~1cm。
4.如权利要求1所述一种水葫芦生物碳的制备方法，其特征在于：将水葫芦切除根以及叶，只取叶柄膨大部分即球状茎；用干净水将表面杂质清洗干净；切碎水葫芦球状茎，其切碎程度为0.6cm，于光线充足处自然晾晒8天，至含水率12.1%，初步脱水后原料置于冷冻干燥机6小时，至含水率1.5%，将冷冻干燥后的原料投入管式炉，在加热前，往炉内通25分钟气速为300cm3/min的氮气，以排出炉内的空气，设定反应温度为600℃， 15分钟达到目标温度；保持恒温时间60分钟，恒温热解完成后，关闭电源，保持反应炉的封闭状态，隔绝空气，自然降温，降至室温之后取出，迅速置于干燥容器内，避光保存，得到水葫芦生物碳。
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