CN105970359A - 一种纤维状生物炭及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎处理物后得到粉状物，对粉状物进行炭化得到纤维状生物炭；本发明的制备方法能够以废旧的纺织品为原料，有利于实现废物的资源化利用；另外，本发明的制备方法通过采用处理剂对纺织品进行预处理以及调节升温速率和炭化温度等措施提高了纤维状生物炭的产率，从而得到了具有较高含碳量和较大的碘吸附值的纤维状生物炭。

Description

一种纤维状生物炭及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种纤维状生物炭及其制备方法和应用。

背景技术

人们的衣物多由纺织品制成。一方面，生产这些衣物的纺织厂每年会产生大量的边角料；另一方面，随着人们衣物更新的加快，也会产生大量的废旧衣物。若直接丢弃这些边角料或废旧衣物，则不仅会造成环境污染，而且也会造成资源的浪费。因此，如何资源化利用边角料或废旧衣物就成为亟待解决的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纤维状生物炭的制备方法，该方法不仅能够对废旧的纺织品进行资源化利用，而且还能得到具有较高产率的纤维状生物炭。

本发明的另一个目的在于提供一种由上述的制备方法制成的纤维状生物炭。

本发明的第三个目的在于提供一种上述的纤维状生物炭的应用。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：

对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎处理物后得到粉状物，在反应系统中对粉状物进行炭化得到纤维状生物炭和气体，并使气体回流至反应系统中。

其中，上述的纺织品可以为含纤维的棉纺织品、含纤维的麻纺织品或者含纤维的棉麻纺织品。

上述的纺织品可以含有30‐60wt％的棉，还可以含有20‐45wt％的麻，也可以含有30‐60wt％的棉和20‐45wt％的麻，余量为其它组分。

上述的预处理包括如下步骤：将纺织品在80±10℃的处理剂中浸渍并不断搅拌，30±10min后挤出水分，于60±10℃下热风干燥，得到处理物。

上述的处理剂是硝酸盐和磷酸盐以1:(1‐3)的摩尔比组成的混合液。

上述的处理物和/或粉状物的含水率≤10％，粉状物的粒径≤20目。

上述的炭化包括如下步骤：将粉状物在惰性气体的保护下以5‐8℃/min的升温速率升温至280‐480℃，然后炭化0.5‐2h，得到纤维状生物炭。

上述的方法将产生的气体回流至反应系统，然而，根据具体情况，也可以不进行上述回流。

一种由上述的方法制备而成的纤维状生物炭，其纤维长度为50‐400μm，纤维直径为2‐20μm。

一种由上述的方法制备而成的纤维状生物炭作为大气污染物或水体污染物的吸附剂的应用。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

首先，本发明的纤维状生物炭的制备方法具有丰富的原料来源，可以为废弃的纺织品或者纺织厂在生产纺织品时产生的边角料，不仅能够节约煤、焦油以及木材等不可再生资源，而且还有利于实现废物的资源化利用。

其次，本发明的制备方法通过采用处理剂对纺织品进行预处理以及调节升温速率和炭化温度等措施提高了纤维状生物炭的产率，从而得到了具有较高含碳量和较大的碘吸附值的纤维状生物炭。

另外，现有技术的生物炭的制备方法往往只能够得到生物炭，若要得到纤维状生物炭还需要对生物炭进行纤维化的过程，而本发明的制备方法以含纤维的纺织品为生产原料来直接制备纤维状生物炭，该纤维状生物炭直接呈现纤维形态，故能够省略对生物炭进行纤维化的过程，大大简化了工艺流程。

附图说明

图1为含纤维的纺织品的电镜图。

图2为本发明实施例一的纤维状生物炭的电镜图。

图3为表示生物炭产率的柱状图。

具体实施方式

本发明提供了一种纤维状生物炭及其制备方法和应用。

<纤维状生物炭>

一种纤维状生物炭，其以纺织品为生产原料制成。纺织品可以为含纤维的棉纺织品，也可以为含纤维的麻纺织品，还可以为含纤维的棉麻纺织品。纺织品中所含的纤维如图1所示。

含纤维的棉纺织品含有30‐60wt％的棉；含纤维的麻纺织品含有20‐45wt％的麻；含纤维的棉麻纺织品含有30‐60wt％的棉和20‐45wt％的麻。

本发明的纤维状生物炭呈现纤维状，在540倍电镜下观察，其纤维长度为50‐400μm，纤维直径为2‐20μm。

<纤维状生物炭的制备方法>

一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、预处理步骤：

将纺织品在80±10℃的处理剂中浸渍并不断搅拌，30±10min后挤出水分，然后于60±10℃下热风干燥，得到处理物。

其中，处理剂为硝酸盐和磷酸盐以1:(1‐3)的摩尔比组成的混合液。

硝酸盐溶液的摩尔浓度可以为0.2‐0.8mol/L，磷酸盐溶液的摩尔浓度可以为0.1‐0.4mol/L。

硝酸盐溶液中含有的硝酸盐可以为硝酸钠或硝酸钾，磷酸盐溶液中含有的磷酸盐可以为磷酸钠或磷酸钾。

本发明采用同时含有磷酸盐和硝酸盐的处理剂对纺织品进行预处理，其原因如下：

第一、磷酸盐含有磷元素，硝酸盐含有氮元素，二者均可作为无机阻燃剂，能够降低炭化的温度，提高纤维状生物炭的产率。

第二、氮元素的存在能够促进纺织品中的纤维在热解时的脱磷酰和酸催化脱水反应，磷元素的存在能够促进纺织品在受热时碳的生成，提高热解阶段产生的残渣中纤维状生物炭的含量。

(2)、粉碎步骤：

将步骤(1)所得的处理物粉碎为粒径≤20目的粉状物，同时保证粉状物的含水率≤10％。若粉状物的含水率>10％，则可以继续进行热风干燥，直至粉状物的含水率≤10％为止。

本发明将处理物粉碎为粒径≤20目的粉状物，其原因如下：

第一、若粉状物的粒径大于20目，在相同条件下炭化不完全，终产物的颜色呈灰色而不是黑色。

第二、随着粒径的增大，炭化温度也随之增加。若粉状物的粒径大于20目，则需要较高的炭化温度，不经济。

(3)、炭化步骤：

将步骤(2)所得的粉状物在惰性气体的保护下以5‐8℃/min的升温速率升温至280‐480℃，炭化0.5‐2h，得到纤维状生物炭。

其中，惰性气体可以为氮气。

炭化是一个复杂的化学反应过程，是有机物的分解与缩合共同作用的化学转化过程，不仅包括大分子的化学键断裂、异构化，也包括小分子的聚合反应。在炭化过程中，原料中的纤维素、木质素等物质发生了热解过程，产生一些小分子含碳有机物和无机物等物质，例如生物炭(固相物质)、生物油(液相物质)和气体(气相物质)，因此，炭化反应的产物为三相物质，其反应过程可以用下式进行表示：生物质(含有纤维素、木质素等)→生物炭+生物油+气体。生物油又称为燃料油，其主要成分为醇类、酸类、酮类、酚类和烷烃类等。气体又称为燃料气，其主要成分为H₂、CO、CO₂、CH₄和/或NH₃。本发明的其中一个目的是提高生物炭的产率，减少生物油和气体的产生。

根据热解炭化的原理，为了提高纤维状生物炭(即固相物质)的产率，需要在较低的升温速率下进行，故结合设备的特点将升温速率确定为5‐8℃/min。

另外，虽然本发明采用低升温速率，但还是会产生气体。因为出口处的气体温度较高，为了增加原料的传热系数和提高氮气的温度，可以将出口处的气体通过气泵使其回流到进口处，并随着氮气再次流经反应体系，由此，炭化过程产生的气体随着惰性气体的流动在整个反应系统中循环流动。

为了实现炭化过程产生的气体的循环流动，需要在反应系统的出口处和进口处分别接三通管，进口处的三通管用于通入惰性气体和回流的气体，出口处的三通管用于排出待回流的气体，进口处的三通管和出口处的三通管通过管道相连，管道上设置有气泵，气泵用于使出口处的气体以一定的压力和流量回流至进口处。

炭化反应的产物为三相物质，为了提高固相物质(即纤维状生物炭)的产率，本发明从处理剂、升温速率和气体回流等方面进行综合研究，将处理剂优选为硝酸盐溶液和磷酸盐溶液以1:(1‐3)的摩尔比组成的混合液，将升温速率优选为5‐8℃/min，同时使炭化反应所产生的气体随着惰性气体回流至反应系统中。

经过测定可知，本发明的纤维状生物炭的产率为39‐68％，含碳量为55‐78％，碘吸附值为3800‐4500mg/g，并且三者均与炭化反应的温度有关，如表1所示。

其中，纤维状生物炭的产率为炭化反应所得到的固相物质(即小分子含碳有机物)占原料的重量的百分比。

纤维状生物炭的含碳量是指纤维状生物炭中的碳元素的含量，碳含量越高越有利于碳储存。具有较高含碳量的纤维状生物炭不仅可以减少肥料的用量，还可以减少温室气体的排放，对实现炭的减排将非常有意义。

纤维状生物炭的碘吸附值指的是制备出的纤维状生物炭的吸附能力，说明该纤维状生物炭中微孔的发达程度，碘吸附值越高，对小分子物质吸附能力越强。

表1纤维状生物炭的性质与炭化反应温度的对应关系表

序号	炭化温度范围/℃	纤维状生物炭产率/％	含碳量％	碘吸附值mg/g
					1	280‐300	68‐54	55％‐63％	3800‐4172
2	300‐350	63‐49	63％‐69％	4172‐4474
					3	350‐400	57‐44	69％‐78％	4474‐4500
4	400‐450	53‐41	78％‐62％	4500‐4231
					5	450‐480	48‐39	62％‐70％	4231‐3848

从表1可以得知，炭化温度越高，纤维状生物炭的产率越低，因为温度越高，产生的液体和气体越多，相应产生的固体就越少。

炭化温度越低，纤维状生物炭的产率越高，然而，炭化温度越低，炭化就越不完全，使得终产物中含有部分未炭化原料，从而终产物的颜色呈灰色而不是黑色；另外，炭化温度越低，碘吸附值也相应变小，说明生物炭吸附能力减小，所以炭化温度确定为280‐480℃，可以优选为300‐450℃。

<纤维状生物炭的用途>

本发明的纤维状生物炭可以用于作为大气污染物或水体污染物的吸附剂，这是因为纤维状生物炭具有较高的碘吸附值，说明其具有发达的微孔和很强的吸附能力。

另外，本发明制得的纤维状生物炭也含有含钾、钠等元素，可直接应用于植物栽培、土壤改良或土壤保水等领域，或者吸附污染物后再应用于植物栽培、土壤改良或土壤保水等领域。

以下结合对比例和实施例对本发明作进一步的说明。

对比例

本对比例提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：

将3.8727g纺织品粉碎为粒径≤20目的粉状物，进行干燥直至粉状物的含水率≤10％，然后将该粉状物在氮气的保护下以5℃/min的升温速率升温至350℃进行炭化，炭化时间为1.5h，得到1.3167g纤维状生物炭。

由此可知，本对比例的纤维状生物炭的产率为34％(1.3167/3.8727×100％≈34％)，含碳量为53％(通过元素分析仪测得)，碘吸附值为3154mg/g。碘吸附值是根据GB/T12496.8‐1999《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》进行测定的，因为生物炭和活性炭的性质是非常相似的，只是孔径的分布发生了变化，生物炭是制备活性炭的基础；同时纺织品也含有大量纤维素类成分，所以可采用木质国标。

实施例一

本实施例提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、将4.6853g纺织品置于80℃的处理剂中浸渍并不断搅拌，30min后挤出水分，然后于60℃下进行热风干燥，得到处理物；

(2)、将步骤(1)所得的处理物粉碎为粒径≤20目的粉状物，继续于60℃下进行热风干燥直到粉状物的含水率≤10％；若含水率已经≤10％，则不必再进行热风干燥；

(3)、将步骤(2)所得的粉状物在氮气的保护下以5℃/min的升温速率升温至350℃进行炭化，炭化时间为1.5h，得到2.1459g纤维状生物炭(如图2所示)。

其中，在步骤(1)中，处理剂是硝酸盐溶液和磷酸盐溶液以1:1的摩尔比组成的混合液。

经测定得知，本实施例的纤维状生物炭的产率为49％，含碳量为69％，碘吸附值为4474mg/g。由此可以得知，经过预处理后，纤维状生物炭的产率有了大幅度地提高。

发明人也在400℃进行了炭化(其他条件与实施例一相同)，所得的结果如图3所示。图3的纵坐标表示生物炭的产率，分为有处理剂组和无处理剂组，每组的炭化温度又分别为350℃和400℃。

由图3可知，在同一炭化温度(350℃或400℃)下，有处理剂组生物炭的产率高于无处理剂组的生物炭的产率。其中，在350℃的炭化温度下，有处理剂组生物炭的产率为49％，比无处理剂组的生物炭的产率高15％；在400℃的炭化温度下，有处理剂组生物炭的产率为44％，比无处理剂组的生物炭的产率高20％。

由图3可知，无论是否使用处理剂对原料进行处理，随着炭化温度的升高，生物炭的产率是下降的。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维状生物炭的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎所述处理物后得到粉状物，对所述粉状物进行炭化得到纤维状生物炭。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纺织品为棉纺织品和/或麻纺织品。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纺织品含有30‐60wt％的棉，和/或，含有20‐45wt％的麻。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预处理包括如下步骤：将所述纺织品在80±10℃的处理剂中浸渍并不断搅拌，30±10min后挤出水分，于60±10℃下热风干燥，得到所述处理物。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述处理剂是硝酸盐和磷酸盐以1:(1‐3)的摩尔比组成的混合液。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述处理物和/或所述粉状物的含水率≤10％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粉状物的粒径≤20目。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述炭化包括如下步骤：将所述粉状物在惰性气体的保护下以5‐8℃/min的升温速率升温至280‐480℃，然后炭化0.5‐2h，得到所述纤维状生物炭。

9.一种由权利要求1至8任一所述的方法制备而成的纤维状生物炭，其特征在于：所述纤维状生物炭的纤维长度为50‐400μm，纤维直径为2‐20μm。

10.一种由权利要求1至8任一所述的方法制备而成的纤维状生物炭作为大气污染物或水体污染物的吸附剂的应用。