CN106414614A

CN106414614A - 用于从作物残余物制备超吸收性粒料和/或纤维材料的方法

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Publication number: CN106414614A
Application number: CN201480079344.4A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·格拉斯
Original assignee: Solba Absorber Ltd By Share Ltd
Current assignee: Solba Absorber Ltd By Share Ltd
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: HUE049971T2; WO2015180781A1; EP3149085B1; ES2796744T3; CN106414614B; US20170198412A1; EP3149085A1; US10260169B2; PL3149085T3

Abstract

所述方法涉及从玉米生产的作物残余物制造海绵组织吸收性粒料和纤维材料。该方法优化了目标的性能且简单经济。此方法包括下面的步骤：(i)在茎秆的最低穗轴下方切割种植在田地中的玉米茎秆，以便优选高于70厘米的较少叶子的茎秆段留在田地中；每个较少叶子的茎秆段包括海绵状芯、包裹所述芯的茎秆皮和包裹所述茎秆皮或所述茎秆所带的叶状物；(ii)尽可能接近地面地切割所述较少叶子的茎秆段；(iii)收获在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段；(iv)将在步骤(iii)中所收获的较少叶子的茎秆段切割成其最大尺寸以mm计(优选为它们的长度)为5‑50的茎秆节；(v)向步骤(iv)的茎秆节提供机械冲击，以便将它们的海绵状芯与其茎秆皮以及叶状物分离，以将所述茎秆皮转变成细长的纤维碎片并获得含有以下物质的混合物：f1.形成超吸收性粒料级分的所述海绵状芯，f2.形成纤维物质级分的所述细长的纤维碎片，f3.和形成叶状级分的所述叶状物，(vi)将所述3种级分彼此分离；(vii)回收所述三种级分f1‑f2‑f3；(viii)可能将所述f1超吸收性粒料减小至较小粒料尺寸使得它们的长度包含在0.1‑20mm之间。本发明还涉及所述超吸收性粒料和纤维材料、涉及包括所述粒料和/或所述纤维材料的组合物和制造的产品以及它们在液体或气体的物理‑化学和化学/生物处理中的用途。

Description

用于从作物残余物制备超吸收性粒料和/或纤维材料的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产新的生物来源材料，特别是吸收性材料和纤维材料的方法。

本发明还涉及从植物，特别是髓单子叶植物开花植物(优选玉米)中提取这些新的生物来源材料以及将从植物提取的原材料转化成所述新的生物来源材料。

本发明还涉及所述新的生物来源材料本身，以及它们作为超吸收剂；；纤维填料，用于化学处理的装置，用于纯化气态和/或液态物质的装置；用于去污的装置；；用于过滤的装置；植物基底组分；肥料组分；等等的用途。

所述新的生物来源材料在它们的许多用途中的实施以及由所述新的生物来源材料衍生的产品/组合物的制备包括在本发明中。

背景技术和技术问题

对于高性能吸收剂和/或纤维材料存在持续和迫切的需求。

已知泡沫是在许多工业中大量使用的吸收性材料，例如，用于记录和保留液体，用于建筑物的绝缘或用于包装。这些泡沫的绝大多数在化石原料的合成中产生，因此不可持续地获得。实例包括聚苯乙烯和聚氨酯。

此外，丙烯酸和丙烯酸钠的合成共聚物作为吸收剂用于卫生产品，特别是在尿布中的使用日益扩大。

这些已知吸收剂的溶胀能力当然是其性能的关键标准。

具有高吸水能力的吸收性材料也可以具有作为植物基底或用于改善堆肥混合物的重要应用。在这个角度上，所述吸收性材料必须是可生物降解的，上述合成泡沫显然不是这样的。

纤维材料是一类不同于泡沫的吸收剂，并且在作物应用中也可能是这样。

在这些方面，生物来源材料似乎是作为用于生产吸收剂和/或纤维产品的原料的良好候选物，其可以用于需要它们的吸收、水溶胀和固定能力的应用中。植物可以因此提供可持续供应的能够在种植区域中应用的泡沫和/或纤维材料。

DE 42 22 139 A1描述了由具有高含量的髓的植物的茎干(stem)碎片例如来自玉米茎秆(stalk)制成的填料。这些使用的植物处于成熟状态。该制造方法包括切割植物、拣出叶子、捆扎和干燥茎秆、将它们放置在田地中，达到80-90重量％的干含量。然后将干燥的茎秆切割成0.5-10cm长的圆柱体，用作多孔建筑材料例如充气混凝土、隔热板和瓷砖的成孔剂，作为包装材料或用作针对害虫的有气味物质的载体或用于植物肥料。

EP0470596A2描述了由颗粒形式的玉米茎秆制成的吸收性材料(粒度包括在10和150目之间：(2mm-100μm)。制造方法包括脱壳、脱胶、压碎和通过振动筛分的分离，或者可选地，湿法加工，随后脱水和干燥。衍生自玉米茎干的所述吸收性材料用于制造一次性吸收制品(尿布、女性卫生垫、敷布)。所述制造方法不是工业化的，并且不能分离玉米茎秆的不同组分，即髓、皮、叶子。根据EP0470596A2的2mm-100μm颗粒包含髓、皮和叶子的混合物。

本发明旨在解决上述问题和/或需求中的至少一个：

a)提供一种特别是用于从作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，所述方法是快速的和工业化的；

b)提供一种特别是用于从作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，所述方法能够容易和高效地分离髓、皮和叶子；

c)提供一种特别地用于从作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，所述方法使得可以获得一些吸水能力大于或等于其自身重量的5倍和其最大尺寸(长度)大于或等于2mm的超吸收性粒料；

d)提供一种特别是用于从作物残余物生产超吸收性粒料和纤维材料的方法，所述方法使得能够以工业规模并且同时和独特地获得具有不同可开发功能的超吸收性的粒料和纤维材料；

e)提供一种特别地用于从作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，所述方法使得能够得到一些以kg/m³表示的非压缩形式的密度为10-100的超吸收性粒料；

f)提供具有上述规格：制造特征、吸收特征；密度的超吸收性粒料和/或纤维材料；

g)提供可用作源自动物排泄物、液体烃(包括油及其衍生物)的气体和/或液体产品的吸收剂/过滤器/消除装置或作为任何基底的化学处理的支撑物的超吸收性粒料，所述支撑物可包括至少一种活性成分，可用作加工助剂；

h)提供作为肥料和/或泥炭替代物和/或作为作物辅助剂、包装材料、纸浆、绝缘材料或其组分的纤维材料。

发明内容

为追求这个目标，发明人致力于开发一种新的和改进的方法，这使得可以符合上述目标(a-h)中的至少一个。

为此，根据第一方面，本发明提出了一种特别地用于从单子叶开花植物(优选玉米)栽培的作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，包括以下步骤：

(i)在茎秆的最低玉米穗轴下方切割种植在田地中的玉米茎秆，以便优选高于或等于30、50、70厘米(以递增的优先级)的较少叶子的茎秆段留在田地中；每个较少叶子的茎秆段包括海绵状芯、包裹所述芯的茎秆皮和包裹所述茎秆皮或所述茎秆所带的叶状物；

(ii)尽可能接近地面地切割所述较少叶子的茎秆段；

(iii)收获在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段；

(iv)将在步骤(iii)中所收获的较少叶子的茎秆段切割成其最大尺寸以mm计(优选为它们的长度)为5-50；8-40；10-30(以递增的优先级)的茎秆节；

(v)对步骤(iv)的茎秆节提供机械冲击，以便

·将它们的海绵状芯与其茎秆皮以及叶状物分离，

·将所述茎秆皮转变成细长的纤维碎片；

·并获得包含以下物质的混合物：

f1.形成超吸收性粒料级分的所述海绵状芯，

f2.形成纤维物质级分的所述细长纤维碎片，

f3.和形成叶状级分的所述叶状物；

(vi)将所述3种级分彼此分离；

(vii)回收所述三种级分f1-f2-f3；

(viii)可将f1超吸收性粒料减小至包含在0.1-10mm，优选0.5-3mm之间的较小粒料尺寸。

本发明特别是基于如下发现：茎秆的不同部分之间的良好分离，保证了生物来源的产物作为原料在各种应用中基于吸收能力、低密度、过滤能力；绝缘性能的性能。

本发明的大问题是理解不同的植物茎秆组分(髓/皮/叶)相对于彼此如何不利，以及优化这些组分的分级的重要性，以完善这些生物来源的精制原料的应用性质。

根据本发明的方法的工业和经济可行性还依赖于这样的事实：回收植物副产物以便给予回收的超吸收性粒料和纤维材料高附加值。由此可以看出，根据本发明的方法在作物残余物向动物饲养业的普通转变方面具有竞争性。

但是，鉴于收获的作物残余物高的数量和多样性，有效分离的挑战是相当棘手的。这些材料的混合物非常不均匀，因此不适合工业应用。

在技术领域中使用海绵组织/髓假定海绵组织/髓与其它植物材料整体或部分分离，以便最好地表达海绵组织/髓的特定性能。

通过根据本发明的方法已经克服的另一个困难是获得各自具有均匀密度的副产物的不同级分。

根据本发明的方法是连续或不连续的。在较少叶子的茎秆的收获步骤(iii)之后，这些较少叶子的茎秆优选立即装载到运输工具中。然后将它们转移到将它们进行储存的区域，之后在根据本发明的方法的以下步骤中进行加工。

定义

这些定义在本文中作为实施例给出，并且旨在促进本申请的构造。

复数等价于单数且可互换。

“玉米”代表与玉米本身类似的任何单子叶开花植物。

“玉米穗轴”对应于“玉米穗”

“海绵状”是指由植物髓即薄壁细胞制成的多孔超吸收剂。

在根据本发明的方法的步骤(i)中在其下方切割玉米茎秆的“田地茎秆的最低玉米穗轴”优选对应于由玉米脱粒机的驱动器确定的最低玉米穗。

“较少叶子的茎秆段”是叶子比例[g叶/g叶和茎秆]×100，例如以增加的优先级为：小于或等于50；30；10；5％的那些。

发明优选

1.方法

在优选的实施方式中，所述方法是不连续的，并且包括实施步骤(i)(ii)(iii)的在田地中的第一阶段，所收获的较少叶子的茎秆段从作物地点运输到可能的储存区域和/或加工场所的第二阶段，可能的储存的第三阶段，和其中实施步骤(iv)和后面的步骤的处理较少叶子的茎秆段的最后阶段。这样的储存的第三阶段使得可以特别使收获的较少叶子的茎秆段稳定，特别是在湿度方面，并且提供用于管理下面的工业生产的缓冲。

在一个变化方案中，根据本发明的方法包括所收获的较少叶子的茎秆部分的干燥阶段，以便使干物质大于或等于70重量％。该任选的干燥阶段可以发生在切割步骤(ii)之前和/或之后。在切割步骤(ii)之前，茎秆可以留在田地上。在切割步骤(ii)之后，可以在储存区域中和/或通过干燥器干燥所述茎秆。

通常在60-120℃的干燥温度下，停留时间为10至20小时。在较高的干燥温度下，干燥时间相应地减少。

根据本发明的一个有利的设置，在植物(例如玉米)成熟时标准收获穗轴上的玉米之后实施该方法。

步骤(i)

该步骤可以在田地中第一次通过期间通过常规割草机、收割机、脱粒机或联合收割机-脱粒机进行。

步骤(ii)&(iii)

有利地，在步骤(ii)中待切割的较少叶子的茎秆段具有大于或等于10mm、15mm或甚至20mm，优选地在10至50mm之间，并且更优选地在15和40mm之间的最小直径。

优选地，步骤(ii)和(iii)通过通常的农业机器实施，所述农业机器能够在田地中第二次通过期间切割和收集较少叶子的茎秆段。

在较少叶子的茎秆的收获步骤(iii)之后，这些较少叶子的茎秆优选立即装载到运输工具中。然后将它们转移到将它们进行储存的区域，之后在根据本发明的方法的以下步骤中进行加工。

步骤(iv)

优选通过在农业机械化中使用的经典的切割机/切碎机将较少叶子的茎秆段转化成茎秆节。在步骤(iv)中产生的茎秆节包含至少50重量％的较少叶子的茎秆段的叶状物。

步骤(v)

步骤(v)可以被同化为脱粒。

优选地：

-输送步骤(iv)的茎秆节并将其悬浮在空气流中用于它们根据步骤(v)进行处理；

-步骤(iv)的茎秆节也进行切割用于它们根据步骤(v)进行处理；

-在步骤(v)的过程中提供给步骤(iv)的茎秆节的机械冲击优选地至少部分地通过如下的组合进行，

·一方面，在空气流中移动的茎秆节与产生空气流的至少一个风扇的至少一个转子的碰撞，和

·另一方面，优选地通过有利地位于(多个)所述转子上的(多个)叶片/(多个)刀片实施的切割。

根据本发明的一个特定的实施方式，优选通过至少一个旋风分离器在分离步骤(vi)之前从它们的输送空气流中提取三个级分f1-f2-f3。

关于细长纤维碎片，优选地具有100；90；80；70；60；50的最大长度(以mm计并以递增的优先级)；和20；15；10；8；6；5的最大厚度(以mm计并以递增的优先级)。

组合步骤(iv)&(v)

步骤(iv)和(v)可以通过单个装置进行，所述装置依次包括如上所述工作的切割器，然后是脱粒机。

步骤(vi)

在显著的加工方法中，根据步骤(vi)的3个级分f1-f2-f3的分离包括将2个级分f1-f2与级分f3的第一次分离，和级分f1与级分f2的第二次分离；

第一次分离优选通过网眼宽度优选≥40mm和更优选≥60mm的至少一个粗网筛进行；

第二次分离优选通过宽度优选≤20mm和更优选≤15mm，甚至更优选5至10mm的至少一个狭缝筛进行。

根据本发明进行选择，以在步骤(vi)中使用，在第一次和/或第二次分离中使用的(多个)筛子中的至少一个是振动筛。

步骤(vii)

三个级分的回收以常规方式通过带式输送机进行，所述带式输送机在相应的筛部分的端部收集分离的级分，并将所述级分送至下一工艺或储存步骤，可能通过气动输送机。

任选步骤(viii)

f1超吸收性粒料的研磨通过经典的农业机器进行，其可以例如是锤磨机。

任选步骤(ix)

级分f1-f2-f3可以在进一步加工它们之前进行干燥。

f1压缩

在本发明的一个特定实施方式中，f1级分通过压机例如螺旋压机或液压机进行压缩。

由级分f1 f2 f3构成的原料的转变

→级分f1

超吸收性粒料f1是用于保留不同和许多感兴趣的化合物或污染物以及用于这些保留物的化学和/或生物转化的显著支撑物。

这种转化通常在活性成分的帮助下进行，所述活性成分可以是(共)催化剂、加工助剂、微生物和酶、活化剂……

所述活性成分优选选自以下组(优选由以下组成)：

无机酸，优选选自以下亚组(优选由以下组成)：H₃PO₄、HCl、H₂SO₄...；H₃PO₄是特别优选的；

无机碱，优选选自以下亚组(优选由以下组成)：NaOH、Ca(OH)₂、KCl，...及其混合物；

粒料表面化学改性剂，优选选自疏水剂或亲水剂；

和它们的混合物。

关于向f1超吸收性粒料提供活性成分，并且根据本发明的突出特征，使f1超吸收性粒料与至少一种活性成分接触，所述活性成分优选为液体形式，优选溶液，将其喷雾和/或在其中浸泡f1超吸收性粒料。

→级分f2

根据本发明的一种可能，对f2级分进行机械精制，以便减小纤维的厚度Tf如下：

Tf≤1mm，和优选地Tf≤0.5mm。

这种精制可以通过干法或湿法研磨进行。可以使用的装置是例如高速球磨机或锤磨机。

在一个优选的实施方式中，在湿阶段机械精制f2级分以制备纸浆，优选添加至少一种苛性剂，优选氢氧化钠(NaOH)，以便减小纤维的长度Lf如下：

Lf≤3mm，和优选地Lf≤2mm。

为了进行这种湿法精制，根据本发明可推荐使用适合的已知设备来制备纸浆。这些设备可以是例如精制机或高速机。

有利地使用的苛性剂的量是例如1-3％氢氧化钠用于产生水溶液和在其中浸泡所述材料，或基于所述纤维干重的3-20％的氢氧化钠比率。

这种湿法精制使得还可以调节所述纤维的拉伸指数(TIf)，例如如下：TIf>30Nm/g，和优选TIf>40Nm/g。

这种精制纤维特别适于制造牛皮纸，或用于改进废纸基纸板。

2.装置

在其另一方面，本发明还涉及一种特别用于实施根据本发明的方法的如上述定义的装置，所述装置包括：

(m.i)用于在茎秆的最低玉米穗轴下方切割种植在田地中的玉米茎秆的装置；所述装置(m.i)优选是常规割草机、收割机、收割机、脱粒机或联合收割机-脱粒机的装置。

(m.ii)用于切割较少叶子的茎秆段的装置；

(m.iii)用于收获在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段的装置；所述装置(m.ii)和(m.iii)优选为例如通常的农业机器装置，例如自装载切割器车辆；

(m.iv)用于将在步骤(iii)中收获的较少叶子的茎秆段切割成茎秆节的装置；

(m.v)用于向步骤(iv)的茎秆节提供机械冲击的装置；

(m.vi)用于将所述3个级分f1-f2-f3彼此分离的装置，所述装置优选包含筛目宽度优选≥40mm和更优选≥60mm的至少一个粗网筛和宽度优选≤20mm和更优选≤15mm，且甚至更优选为5至10mm的至少一个狭缝筛；所述筛；(多个)所述筛中的至少一个是振动筛；

(m.vii)用于回收所述三种级分f1-f2-f3的装置；

(m.iv'和-v')用于产生空气流的装置，优选为装有至少一个转子和(多个)叶片/(多个)刀片的风扇，用于输送步骤(iv)的茎秆节；

(m.vi')可能至少一个旋风分离器，用于从它们的输送空气流中提取3个级分f1-f2-f3。

附图说明

在附图中示出了对应于装置(m.iv)至(m.ix)的根据本发明的子装置的一个优选的实施方法和一个优选的实施方案，其中：

-图1是优选的方法和子装置的示意图。

-图2是图1的子装置的特定装置(iv)(v)(iv')(v')的透视图。

具体实施方式

图1的子装置包括定量给料和进料单元1，其将在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段输送到传送带2。后者将它们带到包括切割装置(装置m.iv和iv')和冲击或击打(装置v和v')的总装(assembly)3。

在此优选的实施方案中，用于将在步骤(iii)中收割的较少叶子的茎秆段切割成茎秆节并用于对所述茎秆节提供机械冲击的的总装3集成在图2所示的单个子集中。此集成的子集有利地是由一个转子轴承和(多个)叶片/(多个)刀片制成的风扇30。所述风扇30围绕轴线(A)旋转，该轴线平行于空气流，并优选也是其中空气流循环的导管的轴线。优选地，风扇30包括在与轴线(A)正交的平面中延伸的实心凸台(boss)31。一个或若干个(这里是2个)切割器32各自通过支撑件33固定在凸台31的上游面上，而凸台31的周边边缘34与叶片35配合，该平面基本上是直径方向的。

所述总装3还产生用于将混合物f1/f2/f3输送(气动输送)到旋风分离器(装置m.vi)的空气流，其将空气流与混合物f1/f2/f3分离并将此混合物转移到第一粗网振动筛5(装置m.vi)和随后是第二振动狭缝筛6(装置m.vi)。一些回收装置(vii)(例如传送带和气动输送机)使得可以单独获得3个级分f1[第二筛网过滤物]/f2[第二滤网滞留物]/f3[第一滤网滞留物]。

对于f1粒料，下面的转变链可包括用于尺寸减小的锤磨机7、干燥器8和压机9，在进一步的转变处理如浸泡在活性成分中以固定在由粒料f1制成的支撑物上之前。

对于f2纤维材料，下面的转变链可包括悬浮罐10，以制备f2在水中的悬浮液，其中可以加入苛性液体，精制机11，脱水装置12和干燥器13。

3.由f1&f2级分制成的产品

→级分f1

级分f1由超吸收性粒料组成，其可以特别地由根据本发明的方法获得。它们由单子叶开花植物(优选玉米)的海绵状/多孔的茎髓制成。它们特征在于下面特征中的至少一个：

■吸水能力(以其自身干重的倍数表示，并且在下文中以递增的优先级给出)大于或等于15；17；19且包含在20-50；20-40；20-35；20-30之间；

■非压缩形式的密度(以每m³的kg干物质表示，并且在下文中以递增的优先级给出)包含在10-100；20-70；25-50；20-30之间；

■压缩形式的密度(以kg/m³表示，并且在下文中以递增的优先级给出)大于或等于100；200；300；400；且包含在100-700；200-700；300-700之间；

■粒料最大尺寸(PMD)(以mm表示，并且在下文中以递增的优先级给出)：5≤PMD≤30；6≤PMD≤20；8≤PMD≤15；

或包含在0.1≤PMD<5；0.3≤PMD≤3；0.5≤PMD≤2之间。

这些粒料的吸收性能显著优化，因为它们仅由(或几乎>90重量％)单子叶植物开花植物(优选玉米)的海绵状薄壁组织的髓构成。

特别地，这些粒料不含已经从髓中良好除去的皮(f2)。它使得可以完全利用植物髓的多孔结构的非常有趣的吸收性能。

通过将衍生自步骤(viii)的粒料浸泡在水中60秒、倾析多余的水、测定总重量并将总重量除以所述粒料的初始干重来测量吸水能力。

粒料的其它有利性能是耐酸和苛性碱处理、非常低的营养物含量、高的耐机械压力性和小的孔径，从而产生非常大的内表面。

例如，步骤(viii)之前的粒料在浸泡在2M H₃PO₄中8个月之后不显示任何视觉效果。粒料的营养物分析得到灰分9.6％，总的氮6.6g/kg，磷0.8g/kg，钾30g/kg，钙1.6g/kg和镁0.9g/kg。低营养物含量是微生物生长的限制因素。在步骤(viii)之前，在完全浸泡的粒料床上的500kg/m²的重量负荷导致床厚度仅仅小于20％的减少。平均粒料孔径小于或等于0.5mm。

关于粒料的尺寸，粒料最大尺寸(PMD)的粗范围-其为：5≤PMD≤30提供与PMD的细范围0.1≤PMD<5的性能不同的性能。

实际上，在步骤(viii)之前的粗范围粒料床在粒料之间产生大的间隙空间，并且导致穿过该床的空气压力差低得多。这在某些过滤器应用中是关键的优点。

与粗范围的粒料相比，细范围的粒料提供了更快和更完全的水分吸收。这在某些植物基底组合物中是关键的优点。

压缩粒料为材料储存和运输提供了关键优点。此外，当所述粒料被压缩时，粗范围粒料的液体吸收特征得以大大改进。在浸泡时，所述压缩的粒料快速吸收液体至其全部容量并溶胀至原始体积。当制备用于某些过滤器应用的化学处理的粗范围粒料时，这是关键的优点。

→级分f2

本发明还涉及纤维级分f2，其来自茎秆皮且具有：

吸水能力(以其自身干重的倍数表示)大于或等于5，优选大于或等于6，更优选包括(以增加的优先级)在4-15；5-10；6-9之间；

在纤维床中随机取向的所述一维单纤维，形成具有大孔的三维材料。

这种纤维性质与髓f1的薄壁结构明显不同，涉及不同方面：生物、物理、化学。

例如，所述两种材料可以例如通过孔径(在f1粒料中小得多的孔)、吸收能力(f1粒料的大得多)、解吸能力(f2级分高得多的水解吸)、内表面(f1粒料内高得多)进行区分。

除了吸收之外，纤维级分f2的另一个有利的性能是在材料干燥时产生强的纤维间结合。这种效应归因于高的纤维素含量和纤维素表面上游离OH-基团的存在。

原料级分f2可以进行精制以产生具有如下特征的纤维：厚度Tf，长度Lf：

Tf≤1mm，

Lf≤30mm，

这种纤维可以例如作为泥炭替代品使用。

通过加入苛性剂进一步精制导致具有如下特征的纤维：长度Lf和拉伸指数TIf：

Lf≤3mm

TIf>30Nm/g

就性能而言，所述精制的纤维级分f2与未精制纤维不同在于其更精细的结构、每单位重量更大的表面以及用苛性剂处理时更好的结合性能表现。后者对于纸张和纸板领域中的应用是至关重要的。

→由级分f1和/或级分f2制成的组合物

所述超吸收性粒料f1和纤维材料f2是用于制备不同组合物的主要成分，所述组合物旨在用于不同领域：化学处理、去污染、纯化、过滤、工业加工助剂、作物活化，……

因此，本发明还涉及一种组合物，其包含：

c.1.根据本发明的超吸收性粒料f1；

c.2.至少一种粘合剂，其选自包含如下(优选由如下组成)的组：

天然粘合剂，优选选自包括如下(由如下组成)的亚组：淀粉、纤维素、葡萄糖和衍生物；

合成聚合物，其包括优选选自包含如下(由如下组成)的亚组的纤维：聚酯(PE)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)，……PLA是特别优选的；

和它们的混合物；

c.3.可能的至少一种用于延迟火焰和/或抑制微生物生长和/或组合物硬化的试剂；

c.4.可能的至少一种矿物填料，优选选自包含如下(优选由如下组成)的组：粘土粉末、石膏、碳酸钙、氧化钙及其混合物；

c.5.可能的纤维物质f2；

c.6.以及c.1与组分c2至c.5中的至少一种的可能的混合物。

根据本发明的一个特别的实施方案，所述组合物可以由如下组成：

c.1.包括在PMD的细范围内的超吸收性粒料f1，如：

0.1≤PMD<5；

c.2.至少一种如上述定义的粘合剂；

c.50.精制纤维物质f2。

根据本发明的另一个特别的实施方案，所述粘合剂可以是防水的。

→由这些组合物制备的产品

上述定义的组合物可用于生产通过形成如上述定义的组合物获得的制造的产品，所述产品优选为立方体和/或厚片的形式。

成型可以通过模塑、挤出或任何适当的转变技术来完成，例如用于塑料材料转变的任何技术。

产品的形式可以是任何类型：板、条、线、碗……以及由此产生的任何分离元件。

立方体和/或厚片可适合构成用于植物、堆肥、肥料载体、作物介质的特定基底。在此观点上，这些基本形式(立方体和/或厚片)的产品可以包装在袋中，优选塑料袋，且更优选可生物降解的塑料袋如PLA袋。这样的袋子可以用于例如在温室中幼小植物的繁殖、番茄、草莓和类似物的生产。在这样的应用中，它们可以替代诸如石棉的基底，其来自不可生物降解的袋并且需要以相当大的成本处置。基于f1和f2的立方体和厚片以及PLA覆盖提供了类似的植物生长的视角，并且可以在植物收获后进行堆肥。

4.f1&f2级分、所述组合物和由其制成的产品的用途

根据其另一方面，本发明涉及不同的用途：

A.本文定义的根据本发明的超吸收性粒料f1用作源自动物排泄物、沼气生产场所、肉类加工场所的气体和/或液体产物的吸收剂/过滤器/消除装置，处理来自热能生产的废气、气体和液体烃，包括油及其衍生物。

B.本文定义的根据本发明的超吸收性粒料f1用作气体和/或液体产物的吸收剂/过滤器/消除装置，其中所述气体和/或液体产物选自包含如下(优选由如下组成)的组：NH₃、CO₂、H₂S、H₂O、气味、CO₂、CH₄或其组合。

C.本文定义的根据本发明的超吸收性粒料f1用作任何基底的化学/生物处理的支撑物，所述支撑物可能包括至少一种可用作加工助剂的活性成分。

D.用途：

本文定义的根据本发明的纤维物质f2的用途，

通过所述方法获得的纤维物质f2的用途：

其中对f2级分进行机械精制，以便减小纤维的厚度Tf如下：Tf≤1mm，和优选地T≤0.5mm；

或其中在湿阶段机械精制f2级分以制备纸浆，优选添加至少一种苛性剂，优选氢氧化钠(NaOH)，以便减小纤维的长度Lf如下：Lf≤3mm，和优选地Lf≤2mm；

本文定义的根据本发明的组合物的用途；

本文定义的根据本发明的产物的用途；

作为植物基底、植物基底组分和/或泥炭取代物；

E.用途：

本文定义的根据本发明的超吸收粒料f1如它们所制备的形式的用途，

本文定义的根据本发明的纤维物质f2的用途，

通过所述方法获得的纤维物质f2的用途：

其中对f2级分进行机械精制，以便减小纤维的厚度Tf如下：Tf≤1mm，和优选地Tf≤0.5mm；

根据本文定义的本发明的组合物的用途；

根据本文定义的本发明的产品的用途；

作为包装材料、建筑材料、猫砂或其组分。

实施例

制造实施例

实施例1

步骤(i)

在其常规的收获时间收获玉米，使用常规脱粒机进行第一次通过，并且在地面上方大约75cm处尽可能靠近最低穗轴下方切割茎干。如通常处理和收集玉米，且残余物(包括穗轴碎片和叶子在内的切碎的秸秆)像通常一样沉积在田地上。

步骤(ii)&(iii)

在第二次通过中，牵引标准的自加载切割器货车的拖拉机收集仍然立在田地上的具有大约18mm的茎干直径的茎干部分，将其在地面上方尽可能低地(大约5cm)进行切割，并以集中的形式收集长度约70厘米的茎干碎片。

悬浮方法

将这种材料运输到中央处理场所，并转移到接收和定量给料单元中。

恢复方法

步骤(iv)至(vi)，其中上述定义的装置的实施方案参考附图1和2。

步骤(iv)和(v)

进料和定量给料单元1将在(iii)中收获的长度为大约70cm的茎秆(茎干)节转移到进料输送机2上，进料输送机2将其引导到切割器3(装置iv和iv')，其将刚性茎秆(茎干)节切割为大约13mm的长度，但是基本上不切割叶子，并且移动到切割器中的叶鞘缠绕在茎干上。

这样制备的材料通过装有叶片35的风扇30吹送，以便将其送到大型振动筛总装5,6。切割以及风扇叶片35施加在材料上的撞击使茎干皮破裂，成为细长的纤维碎片，并从茎干的抗冲击海绵状内部组织分解。通过旋风分离器4实施材料从空气流的分离和沉积到振动筛的前端上，旋风分离器4具有空气/材料流的径向入口和通过底部的材料的出口。

步骤(vi)

振动筛总装5,6具有筛网宽度为80mm的筛5的上层，以及具有狭缝宽度为8mm的狭缝筛6的下层。振动引起材料朝向总装的后端的单向运动。上层5保留材料的叶状部分(级分f3)，并允许细长的纤维碎片(级分f2)和海绵状组织的三维碎片(级分f1)通过。在下层上，狭缝筛6允许细长的纤维碎片(级分f2)通过，但是保留海绵状组织/超吸收性粒料的三维碎片(级分f1)。

步骤(vii)

从此步骤收集三种材料级分f1-f2-f3：叶子级分f3、纤维碎片级分f2和海绵状组织级分f1。叶子级分f3产生大约40体积％或10重量％，纤维级分f2产生大约30体积％和70重量％，海绵状组织级分f1产生大约30体积％和20重量％，总是与步骤(ii)中切割和在步骤(iii)中收获的较少叶子的茎秆段的体积和重量相比，如输送到包括切割装置(装置m.iv和iv')和冲击装置(装置v和v')的总装3。

步骤(viii)

根据其使用，海绵组织级分f1被分解成更小的碎片并干燥。

进一步加工

为了制备氨的吸收剂，首先使用手压机压缩5升未分解但干燥的f1用于除去包含在海绵状组织的多孔结构中的空气，然后浸没在20％的磷酸溶液中。这导致磷酸的最大吸收和在过滤器中氨的最大去除能力。

将30kg纤维级分f2送至悬浮罐中，该悬浮罐配备有用于制备均匀悬浮液的搅拌器并填充至1'000升的水平。送该悬浮液通过来自Voith的EK1型高速球磨机，用于打开和洗涤细长的纤维碎片并制备用于例如替换泥炭的纤维。在实验室规模下使用厨房混合器进一步精制所述纤维，其中添加或不添加苛性剂如苛性钠，产生用于生产高剪切片材或卡板的优异的浆料质量。

必须理解的是，输送到中央位置的茎干碎片的厚度和水分含量取决于一般气候条件、植物品种和在特定生长季节的条件。还必须理解的是，各种级分的产率将根据进入的茎干碎片的厚度和水分含量以及所收集的级分的堆积高度而变化。

f1和f2级分的评价和应用实施例

实施例2

如此制备的超吸收性粒料是具有白色至米色和良好的松散性能的开孔颗粒。它主要由纤维素和半纤维素组成，营养价值低。在2-10mm的颗粒尺寸，密度为20-30kg/m³。海绵状组织是非常吸收性的，并且可以吸收其自身重量的20至25倍的水或任何其他液体。吸水能力与水的盐度无关，并且即使在存在材料的重复中间干燥之后也可保持。实验表明，海绵状组织的压缩不降低其吸收能力。材料随着液体的吸收而溶胀至其原始体积。

将海绵状组织研磨至2-5mm的颗粒尺寸，并将由此制备的材料用于种植试验以及产生水解吸曲线(标准测试程序)。发现即使在>1pF的升高的吸入压力下，该材料也能够保持大于其原始水含量的35％，因此以与最好的石棉基底类似的效率限制了基底的脱水。

实施例3

用液压机压缩所述超吸收性粒料，得到直径为65mm和高度为17-30mm的粒料。发现在高达3t(相对于直径为65mm的区域)的压力下压缩的所述超吸收性粒料在尺寸上是不稳定的，并且在松弛之后容易再次膨胀，而无需任何外部帮助。在6t[基于直径为65mm的区域]的压力下制备尺寸稳定的压缩粒料。它们具有>400kg/m³的密度。

然后将所述粒料切成约2-5克的较小碎片。称取17g这种材料放入工作台中，然后加入500ml水。材料通过吸收水迅速膨胀。约60秒后，倾析过量的水。水饱和的材料的重量为391g，这样所述材料吸收了相当于其自身重量的22倍的水的重量。

材料的压缩和溶胀性能具有很大的实际重要性，因为由此可以显着降低存储和运输成本。

实施例4

超吸收性粒料是与可生物降解的聚乳酸(下文称为PLA)纤维混合的粘着剂，然后在热空气的作用下压制并成型为板。PLA纤维的重量比例为产品重量的12％。这些耐水板尺寸稳定，具有56kg/m³的密度。将这些板切成4×4×4cm的立方体用于帮助植物生长。测试这些立方体用于幼小植物的生产。发现保水能力(浸泡后完全负载的立方体的重量/立方体的干重)更好，并且番茄种子在这些立方体上的发芽率等于石棉比较值(约95％)。

使用营养液或盐水溶液代替水，任何超吸收性粒料的吸收能力都保持恒定，即使在具有中间干燥的重复润湿循环下。

实施例5

所述超吸收性粒料用磷酸(H₃PO₄)水溶液处理，然后干燥和压缩。如此制备的粒料具有高的吸收和中和液体的能力。这些粒料在养鸡中用于去除粪便的气味和持续干燥稳定的地板。通过降低pH，氨转化为铵，具有低得多的蒸气压。因此，有害的氨排放大大降低，有价值的氮肥也如此与作为基底的粒料结合，其可以用作植物营养物。

实施例6

所述超吸收性粒料用氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钙(CaOH)的水溶液喷雾。使用如此提供的材料和设备从空气料流中除去二氧化碳(CO₂)。当空气流通过所述粒料时，其中包含的二氧化碳与氢氧化钠反应成碳酸氢钠(NaHCO₃)和碳酸钠(Na₂CO₃)或碳酸钙(CaCO₃)，其作为盐保持吸附到粒料的内表面，然后提供从空气料流中除去二氧化碳。从空气中去除CO₂是一个急切的问题，特别是在集约化畜牧业中，其中CO₂浓度必须特别进行监测并保持较低。

类似地，所述超吸收性粒料可以通过具有特定特征的适当处理进行负载，以允许吸附通过粒料床所送的其它污染物，例如烃或不希望的气味。在所有这些应用中，与使用活性炭作为吸附表面类似，选择性地使用所述超吸收性粒料的大的内表面。

要固定到所述超吸收性粒料上的活性成分取决于要除去的污染物的化学性质。例如，使用疏水性的或阳离子或阴离子物质作为所述超吸收性粒料中的活性成分，使得可以产生可更换的过滤单元。

所述超吸收性粒料高的内表面和包括在所述粒料中的纤维素的反应性OH基团有利于强的负载。

或者，级分f1-f2可以用作用于加热或食品或饲料组分的级分f3，或上述未提及的工业应用。特别地，f1和f2级分可以用作面团制品中的营养纤维，作为油漆配制剂中的填料和均化剂等。这些粒料具有例如大约17MJ/kg的热值，灰分含量为6-7，氮含量为大约0.8％。

Claims

1.一种特别地用于从单子叶开花植物(优选玉米)栽培的作物残余物生产超吸收性粒料和/或纤维材料的方法，其包括以下步骤：

(i)在茎秆的最低穗轴下方切割种植在田地中的玉米茎秆，以便优选高于或等于(以递增的优先级)30、50、70厘米的较少叶子的茎秆段留在田地中；每个较少叶子的茎秆段包括海绵状芯、包裹所述芯的茎秆皮和包裹所述茎秆皮或所述茎秆所带的叶状物：

(ii)尽可能接近地面地切割所述较少叶子的茎秆段；

(iii)收获在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段；

(v)向步骤(iv)的茎秆节提供机械冲击，以便

·将它们的海绵状芯与其茎秆皮以及叶状物分离，

·将所述茎秆皮转变成细长的纤维碎片；

·并获得包含以下物质的混合物：

f4.形成超吸收性粒料级分的所述海绵状芯；

f5.形成纤维物质级分的所述细长的纤维碎片；

f4.和形成叶状级分的所述叶状物；

(vi)将所述3种级分彼此分离；

(vii)回收所述三种级分f1-f2-f3；

(viii)可将f1超吸收性粒料减小至包含在0.1-20mm，优选1-5mm之间的较小粒料尺寸使得以mm表示的它们的最大尺寸(优选它们的长度)为0.1-20mm，优选1-5mm。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法是不连续的，并且包括实施步骤(i)(ii)(iii)的在田地中的第一阶段，所收获的较少叶子的茎秆段从作物地点运输到可能的储存区域和/或加工场所的第二阶段，可能的储存的第三阶段，和其中实施步骤(iv)和后面的步骤的处理较少叶子的茎秆段的最后阶段。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(ii)中待切割的较少叶子的茎秆段具有大于或等于10mm、15mm或甚至20mm，优选地在10至50mm之间，并且更优选地在15和40mm之间的最小直径。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中输送步骤(iv)的茎秆节并将其悬浮在空气流中，用于它们根据步骤(v)进行处理；

其中步骤(iv)的茎秆节也进行切割用于它们根据步骤(v)进行处理；

其中在步骤(v)的过程中提供给步骤(iv)的茎秆节的机械冲击优选地至少部分地通过如下的组合进行：一方面，在空气流中移动的茎秆节与产生空气流的至少一个风扇的至少一个转子的碰撞，和另一方面，优选地通过有利地位于所述(多个)转子上的(多个)叶片/(多个)刀片实施的切割。

5.根据权利要求4所述的方法，其中优选地通过至少一个旋风分离器在分离步骤(vi)之前从所述三种级分f1-f2-f3的输送空气流中提取所述三种级分f1-f2-f3。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中根据步骤(vi)的3种级分f1-f2-f3的分离包括将2种级分f1-f2与级分f3的第一次分离，和级分f1与级分f2的第二次分离；

7.根据权利要求6所述的方法，其中在第一次分离和/或第二次分离中使用的(多个)筛中的至少一个是振动筛。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中所述f1级分被压缩。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中使f1超吸收性粒料与至少一种活性成分接触，后者优选为液体形式，优选溶液，将其进行喷雾和/或在其中浸泡所述f1超吸收性粒料。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述活性成分在包含如下(优选由如下组成)的组中进行选择：

·无机酸，优选在包含如下(优选由如下组成)的亚组中进行选择：H₃PO₄、HCl、H₂SO₄...；H₃PO₄是特别优选的；

·无机碱，优选在包含如下(优选由如下组成)的亚组中进行选择：NaOH、Ca(OH)₂、KCl，...及其混合物；

·粒料表面化学改性剂，优选选自疏水剂或亲水剂；

·和它们的混合物。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中对f2级分进行机械精制，以便减小纤维的厚度Tf如下：

Tf≤1mm，和优选地Tf≤0.5mm。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中在湿阶段机械精制f2级分以制备纸浆，优选添加至少一种苛性剂，优选氢氧化钠(NaOH)，以便减小纤维的长度Lf如下：

Lf≤3mm，和优选地Lf≤2mm。

13.特别用于实施根据前述权利要求中至少一项所述的方法的装置，包括：

(m.i)用于在茎秆的最低玉米穗轴下方切割种植在田地中的玉米茎秆的装置；所述装置(m.i)优选是常规割草机、收割机、收获机、脱粒机或联合收割机-脱粒机的装置；

(m.ii)用于切割较少叶子的茎秆段的装置；

(m.iii)用于收获在步骤(ii)中切割的较少叶子的茎秆段的装置；所述装置(m.ii)和(m.iii)优选为通常的农业机器装置，例如自装载切割器车辆；

(m.v)用于向步骤(iv)的茎秆节提供机械冲击的装置；

(m.vi)用于将所述3种级分f1-f2-f3彼此分离的装置，所述装置优选包含筛目宽度优选≥40mm和更优选≥60mm的至少一个粗网筛和宽度优选≤20mm和更优选≤15mm，且甚至更优选为5至10mm的至少一个狭缝筛；所述筛；(多个)所述筛中的至少一个是振动筛；

(m.vii)用于回收所述三种级分f1-f2-f3的装置；

(m.iv'和-v')可能用于产生空气流的装置(优选装有至少一个转子和(多个)叶片/(多个)刀片的风扇)，用于输送步骤(iv)的茎秆节；

(m.vi')可能至少一个旋风分离器，用于从所述3种级分f1-f2-f3的输送空气流中提取3种级分f1-f2-f3。

14.超吸收性粒料f1，其特别地由根据权利要求1-12中至少一项所述的方法获得，由单子叶开花植物(优选玉米)的海绵状/多孔茎秆芯制成并具有：

■吸水能力(以其自身干重的倍数表示且在下文中以增加的优先级给出)大于或等于15；17；19且包含在20-50；20-40；20-35；20-30之间；

■和/或非压缩形式的密度(以每m³的kg干物质表示且在下文中以增加的优先级给出)包含在10-100；20-70；25-50；20-30之间；

■和/或压缩形式的密度(以kg/m³表示且在下文中以增加的优先级给出)大于或等于100；200；300；400；且包含在100-700；200-700；300-700之间；

·和/或粒料最大尺寸(PMD)(以mm表示且在下文中以增加的优先级给出)：

5≤PMD≤30；6≤PMD≤20；8≤PMD≤15；

或包含在0.1≤PMD<5；0.3≤PMD≤3；0.5≤PMD≤2之间。

15.纤维物质f2，其特别地由根据权利要求1-12中至少一项所述的方法获得，由单子叶开花植物(优选玉米)的茎秆皮制成并具有：

吸水能力(以其自身干重的倍数表示)大于或等于5，优选为6，更优选包括(以增加的优先级)在4-15；5-10；6-9之间；

和3维的多孔结构。

16.一种组合物，其包括：

c.1.根据本发明的超吸收性粒料f1；

天然粘合剂，优选选自包括如下(优选由如下组成)的亚组：淀粉、纤维素、葡萄糖和衍生物；

合成聚合物，其包括优选选自包含如下(优选由如下组成)的亚组的纤维：聚酯(PE)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)，……PLA是特别优选的；

和它们的混合物；

c.4.可能的至少一种矿物填料，优选选自包含如下(优选由如下组成)的组：粘土粉末、石膏、碳酸钙、氧化钙及它们的混合物；

c.5.特别是根据权利要求11、12或15所述的可能的纤维物质f2；

c.6.以及c.1与组分c2至c.5中的至少一种的可能的混合物。

17.通过形成根据权利要求16所述的组合物获得的产品，所述产品优选为立方体和/或厚片的形式。

18.根据权利要求14所述的超吸收性粒料f1用作源自动物排泄物、沼气生产场所、肉类加工场所的气体和/或液体产物的吸收剂/过滤器/消除装置，处理来自热能生产的废气、气体和液体烃，包括油及其衍生物。

19.根据权利要求18所述的用途，其中所述气体和/或液体产物在包括如下(优选由如下组成)的组中进行选择：NH₃、CO₂、H₂S、H₂O、气味、CO₂、CH₄或它们的组合。

20.根据权利要求14所述的超吸收性粒料f1用作任何基底的化学/生物处理的支撑物，所述支撑物可能包括至少一种可用作加工助剂的活性成分。

21.根据权利要求15所述的纤维物质f2、通过根据权利要求11或12所述的方法获得的纤维物质f2，根据权利要求16所述的组合物或根据17所述的产品作为植物基底、植物基底组分和/或泥炭替代物的用途。

22.根据权利要求14所述的超吸收性颗粒f1、通过根据权利要求1-13中至少一项所述的方法获得的超吸收性颗粒f1、根据权利要求15所述的纤维物质f2、通过根据权利要求1-13中至少一项的方法获得的纤维物质f2、根据权利要求16所述的组合物或根据17所述的产品，

作为植物基底组分、用于作物的吸水剂、包装材料、建筑材料、猫砂或它们的组分的用途。