CN107254791B - 一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法 - Google Patents

一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，属于农业废弃资源利用技术领域。本发明首先将废弃农作物秸秆洗涤暴晒后切成短秆，并用氢氧化钠溶液浸泡活化，提高后期胶合性能，再用高压处理后瞬间泄压，使秸秆纤维结构爆破，并发生一定程度降解，经离心分离后分别收集滤液和滤渣，将部分滤渣用纤维素酶和硫酸锌配合处理制得酶解滤饼，部分滤渣于氩气氛围下炭化制得炭化滤饼，再将滤液、酶解滤饼、炭化滤饼和硅酸钠溶液混合后热压成板，并用香樟木木屑烘烤，使其中的炭化滤饼吸附香樟木中挥发成分，提高板材的防虫性能，最终作为室内装修用复合板材使用。

Description

一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法
技术领域
本发明公开了一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，属于农业废弃资源利用技术领域。
背景技术
近数十年来，随着农业现代化的快速推进与农民生活水平的提高，在广大农村地区农户大规模露天焚烧废弃农作物秸秆，成为显著的社会问题。农作物秸秆是农业生产的重要资源，也是生物质能源的主要原料之一。秸秆焚烧不仅浪费了宝贵的资源，也造成了严重的环境污染。因此，为大量废弃的农作物秸秆找到有效的资源化利用途径，已成为当前面临的一项重要任务。
20世纪80年代，开始出现农民为赶农时，抢播种而大面积焚烧秸秆的现象，成为政府和社会普遍关注的话题。大面积露天焚烧秸秆危害很大，不仅造成了生物资源的浪费，还损伤农田有机质，导致土壤肥力下降，其产生的滚滚浓烟，对大气环境产生了巨大的污染和危害；此外，烟雾弥漫亦导致航空、道路交通受阻，交通事故增多和火灾事故频发等诸多社会问题，造成了人民财产的严重损失。
将秸秆以直接或间接方式还田用作肥料是农作物秸秆资源化利用的传统方式，也是当前充分开发利用农作物秸秆资源，避免秸秆大规模废弃焚烧污染的重要方式。秸秆还田的经济效益在于其能提高作物的产量，生态效应在于其可以有效调节土壤水、肥、气、热。但是，秸秆还田量过大或不均匀易发生土壤微生物与作物幼苗争夺养分，此外，秸秆中的虫卵、带菌体等一些病虫害，在秸秆直接粉碎过程中无法杀死，还田后留在土壤中，病虫害直接发生或者越冬后来年发生，影响农作物产量。
因此，亟待开发一种农作物资源可持续利用，且对土壤、大气环境无污染、无危害的废弃农作物秸秆资源化利用方法具有必要的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统秸秆多以焚烧或直接还田加以利用，不仅造成生物资源的浪费，损害农田土壤环境，且对大气环境产生巨大的污染和危害的问题，提供了一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）取3～5kg废弃农作物秸秆，清洗后于阳光下暴晒至含水率为15～20%，经切割成短秆后，投入8～10L质量分数为3～5%氢氧化钠溶液中浸泡，再经过滤，得碱浸滤渣；
（2）将所得碱浸滤渣与水混合倒入反应釜中，保压处理后，打开反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜，经冷却后离心过滤，得滤饼和滤液，将滤饼烘干，得干燥滤饼，再将300～500g干燥滤饼，0.3～0.6g纤维素酶与1500～2000mL水混合，恒温搅拌酶解后，加入30～50g沉淀剂，反应结束后，过滤，得酶解滤饼湿料；
（3）称取400～500g上述干燥滤饼，在氩气保护状态下炭化，得炭化滤饼，再按重量份数计，将80～100份酶解滤饼湿料，30～40份炭化滤饼，40～50份上述滤液，10～15份硅酸钠溶液，混合后干燥至含水率为10～15%，得干燥碎料；
（4）将所得干燥碎料铺装、热压成型后切割，得复合板材，再用木屑烘烤熏蒸，作为室内装修用复合板材使用，即可。
所述的废弃农作物秸秆为红薯藤、马铃薯藤、玉米秸秆、小麦秸秆中的一种或几种。
步骤（2）所述的保压处理条件为：保压温度为130～140℃，保压压力为1.6～2.0MPa，保压时间为30～60s。
步骤（2）所述的接收釜与反应釜底部出料阀门通过管道相连接。
步骤（2）所述的沉淀剂为硫酸锌。
步骤（3）所述的在氩气保护状态下炭化条件为：于炭化炉中，以30～50mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以3～5℃/min速率程序升温至450～550℃，保温炭化2～4h，随炉冷却至室温。
步骤（3）所述的硅酸钠溶液质量分数为10～15%。
步骤（4）所述的木屑为香樟木木屑。
本发明的有益效果是：
（1）本发明首先将废弃农作物秸秆洗涤暴晒后切成短秆，再用氢氧化钠溶液浸泡活化，提高后期胶合性能，再用高压保压后瞬间泄压处理，在保压过程中使秸秆中大分子有机质发生一定程度降解，秸秆纤维发生一定程度解纤，半纤维素分离出有机酸，有机酸进一步促使纤维素水解，使高聚糖降解为低聚糖，甚而为单糖、聚木糖及糠醛，在此过程中，上述水解产物还可能发生缩合或缩聚（树脂化），从而提高产品的塑性；
（2）本发明之所以严格限定了保压温度为130～140℃，保压压力为1.6～2.0MPa，是因为在该温度和压力范围内，随着蒸煮温度的提高，纤维之间的联接被削弱，解纤时纤维所受的机械损伤减少，纤维形态较好，利于纤维之间的结合，故产品强度提高，但当温度过高时，纤维本身将受到严重破坏，机械强度降低，故产品强度也随之受到影响；
（3）本发明通过利用香樟木木屑烘烤熏蒸，使香樟木中具有防虫性能的有机质挥发，同时添加部分炭化滤饼，利用炭化滤饼优异的吸附性能，吸附挥发的有机质，并固定于产品中，从而提高产品的防虫性能，提高废弃农作物秸秆的利用价值，延长产品使用寿命。
具体实施方式
称取3～5kg废弃农作物秸秆，用清水反复洗涤2～4次，将洗涤后的废弃农作物秸秆均匀平铺于阳光下暴晒，直至废弃农作物秸秆含水率为15～20%，收集暴晒后的废弃农作物秸秆，用铡刀切割成长度为3～5cm短秆，并将所得短秆投入8～10L质量分数为3～5%氢氧化钠溶液中，于转速为300～500r/min条件下，搅拌混合2～4h，过滤，得碱浸滤渣；将所得碱浸滤渣倒入盛有6～8L水的反应釜中，再将反应釜密封，于转速为300～500r/min条件下，启动反应釜加热器，直至反应釜内压力达1.6～2.0MPa，保压反应30～60s后，开启反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜；所述的接收釜与反应釜底部除了阀门通过管道连接；待接收釜中物料自然冷却至室温，将接收釜中物料转入卧式离心机中，离心分离，得滤饼和滤液，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得干燥滤饼；依次称取300～500g 所得干燥滤饼，0.3～0.6g纤维素酶，倒入盛有1500～2000mL去离子水的三口烧瓶中，用质量分数为4～6%盐酸调节三口烧瓶中物料pH至3.6～4.0，并将三口烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为45～50℃，转速为600～700r/min条件下，恒温搅拌反应2～4h，再于恒温搅拌状态下，向三口烧瓶中加入30～50g硫酸锌，继续恒温搅拌反应30～45min，再将三口烧瓶中物料过滤，得酶解滤饼湿料；称取400～500g干燥滤饼，置于炭化炉中，以30～50mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以3～5℃/min速率程序升温至450～550℃，保温炭化2～4h，随炉冷却至室温，出料，得炭化滤饼；按重量份数计，在混料机中依次加入80～100份酶解滤饼湿料，30～40份炭化滤饼，40～50份滤液，10～15份质量分数为10～15%硅酸钠溶液，于温度为55～60℃，转速为500～600r/min条件下，恒温搅拌混合3～5h，再将混料机中物料转入烘箱中，于温度为80～90℃条件下干燥至含水率为10～15%，得干燥碎料；将所得干燥碎料加入铺装机，调节铺装厚度为15～20cm，并将铺装好的物料转入热压机，于热压温度为150～200℃，热压压力为6.8～8.8MPa条件下，热压处理5～10min，出料，再切割成长度为100cm，宽度为80cm的复合板材；取一块长度为120cm，宽度为100cm，厚度为1～2mm的铁板，并在铁板表面铺设一层厚度为2～4cm的香樟木木屑，再在香樟木木屑表面放置一张铁丝网，并将所得复合板材平铺于铁丝网表面，随后加热铁板至220～240℃，保温烘烤2～4h，待烘烤结束，自然冷却至室温，取下铁丝网表面烘烤后的复合板材，封装入库，作为室内装修用复合板材使用。所述的废弃农作物秸秆为红薯藤、马铃薯藤、玉米秸秆、小麦秸秆中的一种或几种。
实例1
称取3kg红薯藤，用清水反复洗涤2次，将洗涤后的红薯藤均匀平铺于阳光下暴晒，直至废弃农作物秸秆含水率为15%，收集暴晒后的红薯藤，用铡刀切割成长度为3cm短秆，并将所得短秆投入8L质量分数为3%氢氧化钠溶液中，于转速为300r/min条件下，搅拌混合2h，过滤，得碱浸滤渣；将所得碱浸滤渣倒入盛有6L水的反应釜中，再将反应釜密封，于转速为300r/min条件下，启动反应釜加热器，直至反应釜内压力达1.6MPa，保压反应30s后，开启反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜；所述的接收釜与反应釜底部除了阀门通过管道连接；待接收釜中物料自然冷却至室温，将接收釜中物料转入卧式离心机中，离心分离，得滤饼和滤液，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得干燥滤饼；依次称取300g 所得干燥滤饼，0.3g纤维素酶，倒入盛有1500mL去离子水的三口烧瓶中，用质量分数为4%盐酸调节三口烧瓶中物料pH至3.6，并将三口烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为45℃，转速为600r/min条件下，恒温搅拌反应2h，再于恒温搅拌状态下，向三口烧瓶中加入30g硫酸锌，继续恒温搅拌反应30min，再将三口烧瓶中物料过滤，得酶解滤饼湿料；称取400g干燥滤饼，置于炭化炉中，以30mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以3℃/min速率程序升温至450℃，保温炭化2h，随炉冷却至室温，出料，得炭化滤饼；按重量份数计，在混料机中依次加入80份酶解滤饼湿料，30份炭化滤饼，40份滤液，10份质量分数为10%硅酸钠溶液，于温度为55℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌混合3h，再将混料机中物料转入烘箱中，于温度为80℃条件下干燥至含水率为10%，得干燥碎料；将所得干燥碎料加入铺装机，调节铺装厚度为15cm，并将铺装好的物料转入热压机，于热压温度为150℃，热压压力为6.8MPa条件下，热压处理5min，出料，再切割成长度为100cm，宽度为80cm的复合板材；取一块长度为120cm，宽度为100cm，厚度为1mm的铁板，并在铁板表面铺设一层厚度为2cm的香樟木木屑，再在香樟木木屑表面放置一张铁丝网，并将所得复合板材平铺于铁丝网表面，随后加热铁板至220℃，保温烘烤2h，待烘烤结束，自然冷却至室温，取下铁丝网表面烘烤后的复合板材，封装入库，作为室内装修用复合板材使用。
实例2
称取4kg玉米秸秆，用清水反复洗涤3次，将洗涤后的玉米秸秆均匀平铺于阳光下暴晒，直至玉米秸秆含水率为18%，收集暴晒后的玉米秸秆，用铡刀切割成长度为4cm短秆，并将所得短秆投入9L质量分数为4%氢氧化钠溶液中，于转速为400r/min条件下，搅拌混合3h，过滤，得碱浸滤渣；将所得碱浸滤渣倒入盛有7L水的反应釜中，再将反应釜密封，于转速为400r/min条件下，启动反应釜加热器，直至反应釜内压力达1.8MPa，保压反应45s后，开启反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜；所述的接收釜与反应釜底部除了阀门通过管道连接；待接收釜中物料自然冷却至室温，将接收釜中物料转入卧式离心机中，离心分离，得滤饼和滤液，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为108℃条件下干燥至恒重，得干燥滤饼；依次称取400g 所得干燥滤饼，0.5g纤维素酶，倒入盛有1800mL去离子水的三口烧瓶中，用质量分数为5%盐酸调节三口烧瓶中物料pH至3.8，并将三口烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为48℃，转速为650r/min条件下，恒温搅拌反应3h，再于恒温搅拌状态下，向三口烧瓶中加入40g硫酸锌，继续恒温搅拌反应38min，再将三口烧瓶中物料过滤，得酶解滤饼湿料；称取450g干燥滤饼，置于炭化炉中，以40mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以4℃/min速率程序升温至500℃，保温炭化3h，随炉冷却至室温，出料，得炭化滤饼；按重量份数计，在混料机中依次加入90份酶解滤饼湿料，35份炭化滤饼，45份滤液，13份质量分数为13%硅酸钠溶液，于温度为58℃，转速为550r/min条件下，恒温搅拌混合4h，再将混料机中物料转入烘箱中，于温度为85℃条件下干燥至含水率为13%，得干燥碎料；将所得干燥碎料加入铺装机，调节铺装厚度为18cm，并将铺装好的物料转入热压机，于热压温度为180℃，热压压力为7.8MPa条件下，热压处理8min，出料，再切割成长度为100cm，宽度为80cm的复合板材；取一块长度为120cm，宽度为100cm，厚度为2mm的铁板，并在铁板表面铺设一层厚度为3cm的香樟木木屑，再在香樟木木屑表面放置一张铁丝网，并将所得复合板材平铺于铁丝网表面，随后加热铁板至230℃，保温烘烤3h，待烘烤结束，自然冷却至室温，取下铁丝网表面烘烤后的复合板材，封装入库，作为室内装修用复合板材使用。
实例3
称取5kg小麦秸秆，用清水反复洗涤4次，将洗涤后的小麦秸秆均匀平铺于阳光下暴晒，直至小麦秸秆含水率为20%，收集暴晒后的小麦秸秆，用铡刀切割成长度为5cm短秆，并将所得短秆投入10L质量分数为5%氢氧化钠溶液中，于转速为500r/min条件下，搅拌混合4h，过滤，得碱浸滤渣；将所得碱浸滤渣倒入盛有8L水的反应釜中，再将反应釜密封，于转速为500r/min条件下，启动反应釜加热器，直至反应釜内压力达2.0MPa，保压反应60s后，开启反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜；所述的接收釜与反应釜底部除了阀门通过管道连接；待接收釜中物料自然冷却至室温，将接收釜中物料转入卧式离心机中，离心分离，得滤饼和滤液，并将所得滤饼转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，得干燥滤饼；依次称取500g 所得干燥滤饼，0.6g纤维素酶，倒入盛有2000mL去离子水的三口烧瓶中，用质量分数为6%盐酸调节三口烧瓶中物料pH至4.0，并将三口烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为50℃，转速为700r/min条件下，恒温搅拌反应4h，再于恒温搅拌状态下，向三口烧瓶中加入50g硫酸锌，继续恒温搅拌反应45min，再将三口烧瓶中物料过滤，得酶解滤饼湿料；称取500g干燥滤饼，置于炭化炉中，以50mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以5℃/min速率程序升温至550℃，保温炭化4h，随炉冷却至室温，出料，得炭化滤饼；按重量份数计，在混料机中依次加入100份酶解滤饼湿料，40份炭化滤饼，50份滤液，15份质量分数为15%硅酸钠溶液，于温度为60℃，转速为600r/min条件下，恒温搅拌混合5h，再将混料机中物料转入烘箱中，于温度为90℃条件下干燥至含水率为15%，得干燥碎料；将所得干燥碎料加入铺装机，调节铺装厚度为20cm，并将铺装好的物料转入热压机，于热压温度为200℃，热压压力为8.8MPa条件下，热压处理10min，出料，再切割成长度为100cm，宽度为80cm的复合板材；取一块长度为120cm，宽度为100cm，厚度为2mm的铁板，并在铁板表面铺设一层厚度为4cm的香樟木木屑，再在香樟木木屑表面放置一张铁丝网，并将所得复合板材平铺于铁丝网表面，随后加热铁板至240℃，保温烘烤4h，待烘烤结束，自然冷却至室温，取下铁丝网表面烘烤后的复合板材，封装入库，作为室内装修用复合板材使用。
将上述实施例废弃农作物秸秆资源化利用制得的复合板材与实木颗粒板进行检测，并进行对比，结果如表一所示。
表一：
备注：1#为实木颗粒板。

Claims (8)

1.一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取3～5kg废弃农作物秸秆，清洗后于阳光下暴晒至含水率为15～20%，经切割成短秆后，投入8～10L质量分数为3～5%氢氧化钠溶液中浸泡，再经过滤，得碱浸滤渣；
（2）将所得碱浸滤渣与水混合倒入反应釜中，保压处理后，打开反应釜底部出料阀门，使反应釜中物料喷射进入接收釜，经冷却后离心过滤，得滤饼和滤液，将滤饼烘干，得干燥滤饼，再将300～500g干燥滤饼，0.3～0.6g纤维素酶与1500～2000mL水混合，恒温搅拌酶解后，加入30～50g沉淀剂，反应结束后，过滤，得酶解滤饼湿料；
（3）称取400～500g上述干燥滤饼，在氩气保护状态下炭化，得炭化滤饼，再按重量份数计，将80～100份酶解滤饼湿料，30～40份炭化滤饼，40～50份上述滤液，10～15份硅酸钠溶液，混合后干燥至含水率为10～15%，得干燥碎料；
（4）将所得干燥碎料铺装、热压成型后切割，得复合板材，再用木屑烘烤熏蒸，作为室内装修用复合板材使用，即可。
2.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：所述的废弃农作物秸秆为红薯藤、马铃薯藤、玉米秸秆、小麦秸秆中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（2）所述的保压处理条件为：保压温度为130～140℃，保压压力为1.6～2.0MPa，保压时间为30～60s。
4.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（2）所述的接收釜与反应釜底部出料阀门通过管道相连接。
5.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（2）所述的沉淀剂为硫酸锌。
6.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（3）所述的在氩气保护状态下炭化条件为：于炭化炉中，以30～50mL/min速率向炉内通入氩气，在氩气保护状态下，以3～5℃/min速率程序升温至450～550℃，保温炭化2～4h，随炉冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（3）所述的硅酸钠溶液质量分数为10～15%。
8.根据权利要求1所述的一种废弃农作物秸秆资源化利用的方法，其特征在于：步骤（4）所述的木屑为香樟木木屑。
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