CN105883753A - 一种笋壳生物炭的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种笋壳生物炭的制备方法与应用，属于废弃物综合利用和土壤修复领域。包括以下步骤：以农业废弃物笋壳为原料，通过粉碎、混合水介质、掺杂金属盐、水热炭化、过滤及干燥制备得到笋壳生物炭，制备方法简单易操作、反应过程绿色温和、成本低廉且无二次污染，应用于土壤改良和重金属污染修复，提供了新型的笋壳利用方式，有效解决了笋壳的高附加值资源化利用难题，实现了土壤污染治理和农业废弃物炭减排的双重功效，具有良好的环境和经济效益，适宜于大规模工程化生产和应用。

Description

一种笋壳生物炭的制备方法与应用
技术领域
本发明涉及农业废弃物笋壳制备生物炭的方法并将其应用于土壤改良和修复，属于废弃物综合利用和土壤修复领域。
背景技术
我国现有竹类植物500余种，竹林面积约500万公顷，是世界上竹类资源最丰富的国家，也是最主要的竹笋产地。竹制品产业在极大地促进我国农村经济快速发展的同时，也产生了大量的农业废弃物，特别是笋壳作为竹笋加工过程中重要副产品，直接丢弃或燃烧已经成为了农村水体、空气和土壤的污染源，更造成了资源的极大浪费，如何拓展其利用途径，实现减量化和资源化对农村污染防治和经济发展具有重要作用。事实上，笋壳的主要组分是纤维素、半纤维素和木质素，所占比例超过60 %，具有制备生物炭的物质基础，通过生物质的炭化技术可以将其高附加值资源化利用，有望实现环境和经济的双重效益。
水热炭化方法是以生物质为原料，水为反应介质，在密闭的高压反应釜内加热使生物质发生溶解和炭化等过程。该技术不受原料含水率的限制，制备过程简单，反应条件温和，能耗低且成本低廉。
发明内容
本发明提供了一种笋壳生物炭的制备方法，工艺简单易操作，反应条件温和能耗低，成本低廉，实现了农业废弃物笋壳的减量化和高附加值资源化利用，将其应用于土壤改良和修复，具有良好的环境和经济效益，适宜于大规模工业化生产和应用。
所述一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将原料笋壳进行预处理，清除笋壳表面的杂质，利用粉碎机破碎笋壳至3-8㎝的碎段，待用；
2）将粉碎后的笋壳与去离子水混合，得固液混合物，混合比例为笋壳：去离子水=1 kg：5-20 L；
3）在固液混合物中掺杂加入金属盐ZnCl2或FeCl3，掺杂比例为金属盐ZnCl2或FeCl3：去离子水=1g:15-25L；
4）将已掺杂金属盐ZnCl2或FeCl3的固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理；
5）水热反应结束后冷却至60-80℃，真空泵过滤得到含水率为20~40wt%的生物炭；
6）将生物炭进行干燥处理，干燥后粉碎至1-3㎜，得笋壳生物炭成品。
所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤1）中：笋壳来源于竹制品加工过程中产生的废弃物。
所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤4）中：水热炭化温度为150-300℃，反应时间为3-12小时。
所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤6）中：干燥处理过程为首先通过晒干和风干将含生物炭的水率降至20 wt%以下，然后置于100-120 ℃烘箱干燥，烘箱干燥时间为2-5小时，得含水率低于8 wt%的笋壳生物炭成品。
所述任一方法所制备的笋壳生物炭在土壤改良和重金属污染修复中的应用。
所述的壳生物炭在土壤改良中的应用，其特征在于所述笋壳生物炭与土壤的掺杂比例为1-10％。
所述的壳生物炭在土壤重金属污染修复中的应用，其特征在于所述笋壳生物炭与土壤的掺杂比例为1-10％。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明笋壳生物炭制备的物质基础为废弃物笋壳，大幅降低了生物质炭制备的成本，更有效解决了废弃物笋壳减量化和高附加值资源化的难题，具有良好的环境和经济效益。
2.本发明的制备技术简单易操作，反应条件温和，金属盐掺杂提高了笋壳水热炭化性能和产率，具有环境友好和可持续发展的技术优势。
3.本发明制备的笋壳生物炭应用于土壤改良和重金属污染修复，有效提高了土壤肥力，固持了重金属污染，减少其生物可利用性，实现了土壤污染防治和农业废弃物炭减排的双重功效，具有良好的大规模应用和推广的前景。
具体实施方式
为了更好地阐述本项发明，结合实施例进一步解释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
将原料笋壳进行预处理，清除笋壳表面的杂质，利用粉碎机将优化的笋壳破碎至3-8cm的碎段，粉碎后的笋壳与去离子水按照1 kg：15 L比例混合，然后掺杂加入金属盐ZnCl2，掺杂比例为去离子水：金属盐ZnCl2=15 L：1g，然后固液混合物转入密闭高压反应釜，150℃条件下进行水热炭化处理，反应时间为8小时，水热反应结束后冷却至60 ℃，真空泵过滤得到含水率为20-40 wt%的生物炭，阳光晒干和风干将含水率降至20 wt%以下，然后在温度为110 ℃烘箱内干燥处理3小时，此时生物炭含水率为6 %左右，然后粉碎至1-3 mm，得到笋壳生物炭1。
实施例2
将原料笋壳进行预处理，清除笋壳表面的杂质，利用粉碎机将优化的笋壳破碎至3-8cm的碎段，粉碎后的笋壳与去离子水按照1 kg：15 L比例混合，然后掺杂加入金属盐FeCl3，掺杂比例为去离子水：金属盐FeCl3比例为15 L：1g，接着将固液混合物转入密闭高压反应釜，150 ℃条件下进行水热炭化处理，反应时间为8小时，水热反应结束后冷却至60 ℃，真空泵过滤得到含水率为20-40 wt%的生物炭，阳光晒干和风干将含水率降至20 wt%以下，然后在温度为110 ℃烘箱内干燥处理3小时，时生物炭含水率为6 %左右，粉碎至1-3 mm，得到笋壳生物炭2。
实施例3
将原料笋壳进行预处理，清除笋壳表面的杂质，利用粉碎机将优化的笋壳破碎至3-8cm的碎段，粉碎后的笋壳与去离子水按照1 kg：15 L比例混合，然后掺杂加入金属盐ZnCl2，掺杂比例为去离子水：金属盐ZnCl2=15 L：1g，接着将固液混合物转入密闭高压反应釜，250℃条件下进行水热炭化处理，反应时间为8小时，水热反应结束后冷却至60 ℃，真空泵过滤得到含水率为20-40 wt%的生物炭，阳光晒干和风干将含水率降至20 wt%以下，然后在温度为110 ℃烘箱内干燥处理3小时，此时生物炭含水率为6 %左右，然后粉碎至1-3 mm，得到笋壳生物炭3。
实施例4
分别将实施例制备的笋壳生物炭1、2、3应用于土壤改良，其与土壤掺杂比例均为5 %，分析添加笋壳生物炭对土壤容重，酸碱性和保肥能力的改良效果。
表1笋壳生物炭应用于土壤改良的性能
参数 原土壤 笋壳生物炭1 笋壳生物炭2 笋壳生物炭3
土壤容重(g/cm3) 0.9754 0.5243 0.5149 0.4856
pH值 7.6 8.3 8.4 8.8
氮肥溶出率(%) 31.5 24.5 22.6 20.1
磷肥溶出率(%) 43.7 26.8 23.8 19.5
由表1可知，相比于原土壤，添加制备的笋壳生物炭1、笋壳生物炭2、笋壳生物炭3均导致土壤容重大幅下降，意味着土壤变得松动，透气性、持水能力、保肥能力等均会提升；均导致土壤的pH值升高，有利于土壤对重金属离子和有机物的固定，降低土壤中污染物对植物的可获得性；均显著提高了土壤保肥能力，氮磷肥不易流失。
上述结果证实制备的笋壳生物炭是良好的土壤改良剂，适宜于土壤改良的实际应用。
实施例5
分别将实施例制备的笋壳生物炭1、2、3应用于增加作物生物量，其与土壤掺杂比例均为5 %。
表2笋壳生物炭对青菜地上部和地下部生物量（干重）的影响
植物生物量(g) 原土壤 笋壳生物炭1 笋壳生物炭2 笋壳生物炭3
地上部分 0.454 4.525 4.713 4.956
地下部分 0.076 0.575 0.641 0.723
由表2可知，添加笋壳生物炭后，青菜地上部和地下部的生物量均明显增加，显著提高了植物产量，这主要是由于笋壳生物炭改善了土壤环境，增加了土壤养分，减少了污染物毒害，适宜应用于土壤改良的规模化工程应用。
实施例6
分别将实施例制备的笋壳生物炭1、2、3应用于重金属Pb2+污染的土壤修复，笋壳生物炭1、笋壳生物炭2、笋壳生物炭3与土壤掺杂比例均为5 %。
表3含500 mg/kg Pb2+的重金属污染土壤培养的植物体内的Pb2+含量
Pb2+含量(mg/kg) 原土壤 笋壳生物炭1 笋壳生物炭2 笋壳生物炭3
植物地上部分 93 32 29 26
植物地下部分 381 45 39 31
由表3可知，通过盆栽试验，在土壤中人为添加浓度为500 mg/kg重金属Pb2+污染，添加笋壳生物炭1、2、3均大幅降低了植物体内重金属浓度，特别是地下根部，下降幅度达到90%，证实笋壳生物炭可以有效地降低植物对土壤中Pb2+的可获得性，具有良好的土壤重金属污染修复功能，适宜于规模化应用于土壤修复工程。

Claims (7)

1.一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将原料笋壳进行预处理，清除笋壳表面的杂质，利用粉碎机破碎笋壳至3-8㎝的碎段，待用；
2）将粉碎后的笋壳与去离子水混合，得到固液混合物，混合比例为笋壳：去离子水=1kg：5-20 L；
3）在固液混合物中掺杂加入金属盐ZnCl2或FeCl3，掺杂比例为金属盐ZnCl2或FeCl3：去离子水=1g:15-25L；
4）将已掺杂金属盐ZnCl2或FeCl3的固液混合物转入密闭高压反应釜内进行水热炭化处理；
5）水热反应结束后冷却至60-80℃，真空泵过滤得到含水率为20~40 wt%的生物炭；
6）将生物炭进行干燥处理，干燥后粉碎至1-3㎜，得笋壳生物炭成品。
2.根据权利要求1所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤1）中：笋壳来源于竹制品加工过程中的废弃物。
3.根据权利要求1所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤4）中：水热炭化温度为150-300℃，反应时间为3-12小时。
4.根据权利要求1所述的一种笋壳生物炭的制备方法，其特征在于步骤6）中：干燥处理过程为首先通过晒干和风干将含生物炭的水率降至20 wt%以下，然后置于100~120 ℃烘箱干燥，烘箱干燥时间为2~5小时，得含水率低于8 wt%的笋壳生物炭成品。
5.一种根据权利要求1-4所述任一方法所制备的笋壳生物炭在土壤改良和重金属污染修复中的应用。
6.根据权利要求5所述的笋壳生物炭在土壤改良中的应用，其特征在于所述笋壳生物炭与土壤的掺杂比例为1-10％。
7.根据权利要求5所述的笋壳生物炭在土壤重金属污染修复中的应用，其特征在于所述笋壳生物炭与土壤的掺杂比例为1-10％。
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