CN105935581A - 一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法，包括以下步骤：将竹原料与无机酸液混合，然后加入水热反应釜进行酸催化水热炭化反应，所述竹原料与酸液的固液比为1Kg：6L～1Kg：14L；将反应产物冷却，过滤分离，固相产物经漂洗、干燥后得到竹生物炭。本发明以竹废弃物作为生物炭制备的原料，以无机酸为催化剂，通过酸催化水热炭化反应制备生物炭，提供了一种新的竹废弃物利用方式，提高了竹材的综合利用率，提升了产品附加值，且制备过程简单、温和、高效，具有良好的经济效益。本发明实现了资源的循环利用，并有助于固定碳元素，节能减排，生态效益良好。

Description

一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法
技术领域
本发明涉及生物炭制备技术领域，尤其是一种竹生物炭的催化制备方法。
背景技术
生物炭是生物质在缺氧、高温、热解条件下转化而成的难溶、稳定、高度芳香化及富含碳素的固态物质。将废弃生物质中的碳元素通过炭化的方式转变成难以生物降解的炭化物（即生物炭）是一种有效固定二氧化碳和农业废弃物资源化的方法。研究认为，生物炭既可作为高品质能源，还能作为肥料缓释载体，二氧化碳封存剂，吸附剂等功能性材料使用。向土壤中施加生物炭，可改善土壤肥力，阻止有害物质扩散，为有益微生物生长提供载体，从而促进作物生长。向水体中施加生物炭，可吸附重金属、有机化合物等污染物质，改良水质，净化水体。
生物质的炭化技术主要有热解炭化和水热炭化两种。其中水热炭化是指原料在130～350℃密闭的水溶液中经脱水、脱羧等复杂反应，加速煤化，转化成生物炭的过程。水热炭化反应原料无需干燥处理，固炭效率高、反应条件较温和，设备简单，操作方便，且有助于保留炭化物表面的含氧、含氮官能团，是一种绿色、低成本的生物炭制备方法。此外，采用适当的催化剂如酸、碱等对生物质原料进行催化水热炭化，可在提高制炭效率的同时，改善生物炭产品理化性能，提供产品附加值。无机酸价廉、易得、可充当活化造孔剂，增加生物炭的比表面积与孔容，扩大孔径，改变表面官能团，从而改善生物炭的理化性能，是制备功能性生物炭的理想催化剂。
竹生长快，适应性强，只要合理采伐不但不会破坏生态环境，还能更好地促进竹资源再生，因此是一种非常常用的可再生生物质资源。我国是世界上竹品种最多的国家，竹资源丰富。竹材一般在成活后2-3年就可以砍伐使用，是一种速生高产纤维原料，也是制炭的理想原材料。我国竹产业发达，竹叶（茎）、竹屑等竹废弃物产量巨大，但其利用率不足10 %，不但造成资源浪费，不当处理还将造成环境污染。
发明内容
本发明提供了一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法，工艺简单，提高了竹的综合利用率和产品附加值，具有良好的经济效益和环境效益。
为实现上述目的，本发明的竹生物炭的无机酸催化水热制备方法包括以下步骤：
将竹原料与无机酸液混合，然后加入水热反应釜进行酸催化水热炭化反应，所述竹原料与酸液的固液比为1Kg：6L～1Kg：14L；
将反应产物冷却，过滤分离，固相产物经漂洗、干燥后得到竹生物炭。
进一步的，还包括竹原料的预处理步骤：清除表面泥土和杂物。
优选的，所述酸催化水热炭化反应的反应温度为160 oC～200 oC。
优选的，所述的酸催化水热炭化反应的反应时间为3h～7 h。
优选的，所述的无机酸液中的无机酸为硝酸、盐酸、硫酸或磷酸中的一种或几种。
优选的，所述的酸液浓度为1 wt%～10 wt%。
优选的，反应产物冷却的冷却温度为80 oC以下。
优选的，所述过滤分离采用板压过滤进行，过滤分离得含水率为30 wt%～40 wt%的固态产物。
优选的，漂洗过程漂洗至洗液呈中性。
进一步的，干燥步骤包括将固态产物置于通风处风干，然后置于烘箱中干燥至恒重，干燥过程温度为100 oC～110℃。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法，包括：将竹原料与无机酸液混合，然后加入水热反应釜进行酸催化水热炭化反应，将反应产物冷却，过滤分离，固相产物经漂洗、干燥后得到竹生物炭。与现有技术相比，本发明通过酸催化水热炭化将竹原料转变为生物炭，提供了一种新型的功能性竹生物炭的制备方法，提高了竹的利用率和产品附加值，且有利于固碳减排，具有良好的经济效益和环境效益。另外，本发明中竹原料无需预处理，催化水热反应固碳效率高、反应条件温和、耗能少，反应设备结构简单、易于操作，生产成本低廉；且能获得性能优良的功能性竹生物炭产品，可用于土壤改良或水体修复，工业化应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例1制备竹生物炭的工艺流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行详细说明。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的实施例提供了一种竹生物炭的催化制备方法，包括以下步骤：
将竹原料与无机酸液混合，然后加入水热反应釜进行催化水热炭化反应，将反应产物冷却，过滤分离，固相产物经漂洗、干燥后得到竹生物炭。
在上述技术方案中，本发明实现了竹废弃物的有效利用，提高了资源利用率，固碳减排，且能提升产品附加值，得到性能优良的可用于土壤与水体环境修复的产品，具有较好的经济效益和环境效益。
作为优选方案，本发明还包括竹原料的预处理步骤：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物。
作为优选方案，将质量、体积比为1Kg：6L～1Kg：14L的竹原料与无机酸液加入水热反应釜进行酸催化水热炭化反应，具体为：将竹原料与酸液混合，加入水热釜，密闭后加热。所述酸催化水热炭化反应的反应温度优选为160 oC～200 oC，更优选为180 oC～200 oC；所述的酸催化水热炭化反应的反应时间优选为3 h～7 h，更优选为3 h～5 h；所述的无机酸催化剂优选为盐酸、硝酸、硫酸或磷酸，更优选为硝酸或硫酸；所述的无机酸浓度优选为1 wt %～10 wt %，更优选为5 wt %～10 wt %。
本发明采用酸催化水热炭化技术制备竹生物炭，工艺简单、反应温和、高效，能有效拓展竹废弃物利用的途径，并制备性能优良的产品，对于提高竹材的利用率和获得高附加值的产品具有重要的意义。
作为优选方案，冷却水热反应釜至80℃以下，之后采用板压过滤进行过滤分离，过滤分离优选得含水率为30 wt%～40 wt%的固态产物。
作为优选方案，漂洗固态产物至洗液呈中性。
作为优选方案，干燥优选为将上述固态产物置于烘箱中干燥至恒重。
作为优选方案，上述干燥过程温度为100 oC～110℃。
从以上方案可以看出，本发明以竹为原料，与酸液混合后导入水热釜中，经催化水热炭化制备竹生物炭产品。该方法实现了资源的循环利用，并有助于固碳减排，具有良好的环境效益；此外，该法提高了竹废弃物的经济效益，改善了竹生物炭产品性能，提高了产品附加值，过程简单、高效、能耗小、成本低，工业化应用前景良好。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1：
如图1所示，竹生物炭按照如下步骤制备：
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与1 wt %的硝酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:6L，反应温度200 oC，反应时间3 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例2：
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与1 wt %的硫酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:6L，反应温度200 oC，反应时间5 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例3：
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与3 wt %的磷酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:8L，反应温度200 oC，反应时间7 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例4
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与5 wt %的硝酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:8L，反应温度160 oC，反应时间5 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例5
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与5 wt %的硫酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:10L，反应温度180 oC，反应时间7 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例6
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与7 wt %的盐酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:10L，反应温度180 oC，反应时间3 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中100℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例7
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与9 wt %的硝酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:12L，反应温度180 oC，反应时间7 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例8
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与10 wt %的硫酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:12L，反应温度160 oC，反应时间3 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例9
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与10 wt %的磷酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:6L，反应温度180 oC，反应时间3 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例10
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与1 wt %的盐酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:14L，反应温度200 oC，反应时间5 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例11
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与5 wt %的磷酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:14L，反应温度160 oC，反应时间5 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例12
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与5 wt %的硝酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:11L，反应温度200 oC，反应时间7 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例13
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的酸催化水热炭化：将竹原料与8 wt %的硫酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:7L，反应温度200 oC，反应时间3 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
实施例14
步骤一、竹原料的回收、预处理：回收竹材加工过程中产生的废弃竹叶、竹茎、竹屑及其它竹加工废弃物，清除原料表面泥土和杂物；
步骤二、竹原料的催酸化水热炭化：将竹原料与1 wt %的硝酸溶液混合，加入水热釜，密闭水热釜后加热进行酸催化水热炭化反应，竹原料与酸液的固液比1kg:9L，反应温度180 oC，反应时间5 h；
步骤三、固、液相产物的过滤分离：酸催化水热炭化结束后，取出水热反应釜置于冷却水中，冷却至80 oC以下后，开釜导出混合物，经过滤得含水率为30 wt%-40 wt%的固态产物；
步骤四、固态产物的漂洗：用少量水对固态产物表面进行漂洗至漂洗液为中性。
步骤五、固态产物的干燥：将固态产物置于烘箱中110℃干燥至恒重，得固态竹生物炭产品。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种竹生物炭的无机酸催化水热制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将竹原料与无机酸液混合，然后加入水热反应釜进行酸催化水热炭化反应，所述竹原料与酸液的固液比为1Kg：6L～1Kg：14L；
将反应产物冷却，过滤分离，固相产物经漂洗、干燥后得到竹生物炭。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括竹原料的预处理步骤：清除表面泥土和杂物。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸催化水热炭化反应的反应温度为160 oC～200 oC。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酸催化水热炭化反应的反应时间为3 h～7 h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的无机酸液中的无机酸为硝酸、盐酸、硫酸或磷酸中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酸液浓度为1 wt%～10 wt%。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应产物冷却的冷却温度为80 oC以下。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过滤分离采用板压过滤进行，过滤分离得含水率为30 wt%～40 wt%的固态产物。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，漂洗过程包括将固态产物漂洗至洗液呈中性。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，干燥步骤包括将固态产物置于烘箱中干燥至恒重，干燥过程温度为100℃～110℃。
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