CN107311712A - 一种高吸附性能生物炭肥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，包括以下步骤：（1）将生物质原料和人畜粪便分别晒干或烘干，粉碎成粉末，备用（2）将处理后的生物质原料、人畜粪便和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合（3）浸渍处理（4）脱水排氧（5）裂解碳化。本发明方法简单，所制备的生物炭肥对重金属离子吸附能力强，肥效高。施入土壤后，既可改善土壤结构，又可充当肥料，从而更好地满足作物生长的需要。

Description

一种高吸附性能生物炭肥的制备方法

技术领域

本发明涉及生物质资源高值化综合利用领域，具体涉及一种高吸附性能生物炭肥的制备方法。

背景技术

不论是在粮食作物还是在经济作物的种植领域，长久以来就采用施肥的手段来提高作物产量和质量。从最早的施用农家有机肥到施用无机肥，再到施用有机无机复混肥。施肥种类、施肥量及配比等对粮食作物或经济作物产量和质量都有很大的影响。传统的肥料尤其是有机无机复混肥虽然在提高作物产量方面起到了不错的效果。但是，传统的肥料存在成分和养分配比不合理，几乎不能恢复土壤肥力、改善土壤结构，甚至还会产生副作用，造成土壤板结等。

人类的生存与发展始终伴随着大量的人及牲畜排泄物的产生，随着人们生活的提高，人畜粪便对环境的污染也日益严重。首先，人畜粪便中含有大量的有机质和氮、磷、钾等物质，若直接排放，会造成水体污染和富营养化。其次，粪便中含有大量病原体，容易引发大规模传染病的流行。再次，粪便污水中有机质腐烂分解后产生有毒有害气体，发生恶臭。这些均严重污染了大地、水体、大气和生物群落，并对人体健康产生潜在威胁。同时人畜粪便大都具有含水率高、不易储存、受潮易腐烂等特点，导致运输成本大、储存空间大和处理成本高等问题。因此寻求合适的人畜粪便处理方法具有现实意义和商业化前景。

我国年产生物质约10 亿吨，其中仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就超过5亿吨。随着我国粮食生产总量的增加，这一数字还将进一步提高。面对如此巨大的资源，目前尚没有实现大规模合理、高效与高值利用，而以传统利用方式为主。当前的处理方法主要有肥料化、饲料化、基料化、燃料化和原料化等 5 种利用方式，其中肥料化、饲料化、基料化属于农业化利用方式，燃料化和原料化利用属于工业化利用模式。由于存在利用途径少、规模小及利用价值低等问题，大量的生物质资源被弃置或焚烧，导致资源浪费和严重的环境 污染。因此，寻求生物质功能化与高值化利用新技术成为人们关注的焦点。其中，热解碳化 技术是近年来逐步发展起来的生物质综合利用技术，它可以做到气、液、炭联产，然后用作 清洁能源化利用及功能原料化利用等。由于生物炭疏松多孔、表面含氧官能团丰富、环境性质稳定，作为功能吸附剂在土壤污染修复及水污染控制领域有重要的应用前景。但传统的生物炭由于其原料以及制备方法的原因，其微孔结构偏少、比表面积也偏小，而微孔结构和比表面积是决定其主要功能的因素之一 ；再者，传统生物炭的氮、磷、钾等植物营养元素及其他微量元素的含量极低，在施用中往往需要配合其他肥料以增强肥效，造成成本和劳动力的增加。所以提高生物炭的吸附性能和肥效是实现生物质功能化与高值化利用的一个重要的努力方向。

发明内容

为克服以上不足，本发明提供了一种高吸附性生物炭肥的制备方法。采用经过特殊方法处理过的草木灰作为催化剂，该催化剂一方面可以大幅增加微孔从而增大比表面积，提高其吸附性能；另一方面可以增加营养元素N、P、K以及多种微量元素，基本不用额外添加其他肥料。而锰氧化物由于等电点PH值低、比表面积大，对重金属离子等各种污染物都具有很强的吸附性能，比铁氧化物要高很多，并且使用后容易沉淀分离，不像铁氧化物那样容易粘附与之接触的介质材料，颜色重。因此，采用高锰酸盐预先浸渍处理生物质原料，然后在较低温度下进行热解碳化得到高吸附性的生物炭肥。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）生物质原料的选取及准备

所用生物质原料是玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、棉花秸秆、玉米芯、棉籽壳、稻壳、花生壳、豆壳、果壳、甘蔗渣、果皮、菜叶菜帮、等外果、残次果、树木残枝、木屑中的一种或若干种的任意混合物。晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，得原料1 ；其中，生物质原料的含水量控制在 10% 以下；

（2）人畜粪便的选取及准备

将选取的人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，得原料2；其中，人畜粪便的含水量控制在 20%以下；

（3）称重并混合

将原料1、原料2和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合，其中所述催化剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节PH 至8.2~8.6，然后过滤，冷冻干燥而成；

（4）浸渍处理

以高锰酸盐为处理剂，将高锰酸盐和水按固液比为1:(20~40)进行混合，得到混合液；再将步骤（3）中所得的混合物放入混合液中浸渍，其中混合物和高锰酸盐的质量比为（3~7）：1，浸渍处理温度为室温~80℃，浸渍处理时间为4~24 小时。

（5）脱水排氧

将经步骤（4）处理后的混合物放入热解物料仓，仓内填充率大于 80%，将物料仓加热至150℃~200℃，并保温 20~60 分钟，利用产生的水蒸气将仓内残留空气充分排出；

（6）裂解碳化

将经步骤（5）处理后的混合物送入裂解设备中，升温至 250℃~260℃，保持该温度 10~15分钟，然后在5分钟内升温至460℃~470℃，并保持该温度3~4h，然后在3分钟内急冷至150℃~180℃，保持该温度 30~60分钟，使物料充分完成碳化后自然冷却，得到所述的高吸附性能生物炭肥。

作为优选的技术方案，所述草木灰为乔木燃烧后得到的草木灰。乔木燃烧后的草木灰，杂质更少，也更利于营养成分的保留和对生物质、人畜粪便的营养成分的锁定。另外，很多工厂比如塑料厂作为燃料的乔木燃烧后产生大量的草木灰，可以对其进行充分回收利用。

作为优选的技术方案，过滤时采用 0.45μm 滤膜。采用较细的孔径，可以滤除绝大部分杂质，利于生物炭微孔的形成和营养元素的富集留存。

作为优选的技术方案，所述的高锰酸盐是高锰酸钾或高锰酸钠。

作为优选的技术方案，所述步骤（4）中的浸渍处理温度为 25℃~60℃，时间为 6~8 小时，每间隔1~2小时搅拌一次。

本发明与现有制备方法相比具有以下显著特点和有益效果 ：

1、采用经过特殊方法处理过的草木灰作为催化剂，该催化剂一方面可以大幅增加微孔、增大比表面积，从而可以更好地增加土壤有机质、吸收重金属、改良土壤、增加肥力，另一方面可以增加营养元素N、P、K以及微量元素包括Ca、Mn、Mg、Fe、Zn、Cu等，基本不用额外添加其他肥料。

2、采用高锰酸盐预先浸渍处理生物质原料和人畜粪便来制备生物炭肥，比表面积和含氧基团量大幅提高，其吸附性能好、适用PH范围宽，与未经高锰酸盐处理的相同原料来制备的生物炭肥或现有生物炭肥相比，本发明所制备的生物炭肥饱和吸附量大大提高。

3、与现有生物炭肥或类生物炭肥效果相比，本发明所制备的生物炭肥对重金属的吸附性能大大提高。

4、使用人畜粪便和生物质混合物作为主要原料，较仅利用生物质作原料获取的生物炭肥含有更丰富的氮、磷、钾和微量元素。

5、将易分解有机碳转化为稳定的固定碳，减少了大气中二氧化碳的排放，有利于改善全球气候变化。

6、使用本发明特有的裂解方法，还可以锁住生物质和人畜粪便中对作物有用的营养元素包括微量元素，保证其在裂解过程中减少流失甚至不流失，减少了营养元素的损失，从而更好地满足作物生长的需要。

7、对大量的生物质和人畜粪便进行了合理有效的回收利用，大大减少了大气污染和环境污染。

8、作为低成本非化学肥料，本生物炭肥可以为有机农业、绿色农业提供产量上的保证。这种生物炭肥制备方法简单、可控、易实施，在有效处理了人畜粪便和生物质的同时，所获得的产品较传统生物炭肥具有更高的吸附性能和更高的肥效，可以在一定范围内代替化肥施用，具有工业化推广的前景，以及显著的经济效益、环境效益和社会效益。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，步骤如下：

（1）生物质原料的选取及准备：将玉米秸秆晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，玉米秸秆的含水量控制在 8%以下；

（2）人畜粪便的选取及准备：将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，人畜粪便的含水量控制在16%以下；

（3）称重并混合：将经过步骤（1）、（2）处理后的玉米秸秆、人畜粪便和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节PH 至 8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm 滤膜，冷冻干燥得到的物质；

（4）浸渍处理：称取步骤（3）中的混合物100g、水0.55 L、高锰酸钾15g，在室温下（约 28℃）进行混合浸渍处理，时间保持 8 小时，中间搅拌 4 次；

（5）脱水排氧：将步骤（3）处理后的混合物放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至150℃，并持续60分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；

（5）裂解碳化：将物料仓内的混合物送入裂解设备中，升温至 250℃，保持该温度10分钟，然后在5分钟内升温至470℃，并保持该温度3小时，然后在3分钟内急冷至150℃，保持该温度30分钟，使物料充分完成碳化后自然冷却，即得到高吸附性能生物炭肥。

实施例2：

一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，步骤如下：

（1）生物质原料的选取及准备：将木屑晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，木屑的含水量控制在6%以下；

（2）人畜粪便的选取及准备：将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，人畜粪便的含水量控制在15%以下；

（3）称重并混合：将经过步骤（1）、（2）处理后的木屑、人畜粪便和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节PH 至 8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm 滤膜，冷冻干燥得到的物质；

（4）浸渍处理：称取步骤（3）中的混合料100g、水0.5 L和高锰酸钠23g，在80℃下进行混合浸渍处理，时间保持 4小时，中间搅拌 4 次；

（5）脱水排氧：将步骤（4）处理后的混合料放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至200℃，并持续20分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；

（6）裂解碳化：将物料仓内的混合料送入裂解设备中，升温至 260℃，保持该温度10分钟，然后在5分钟内升温至460℃，并保持该温度4小时，然后在3分钟内急冷至180℃，保持该温度60分钟，使物料充分完成碳化后自然冷却，即得到高吸附性能生物炭肥。

实施例3：

一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，步骤如下：

（1）生物质原料的选取及准备：将小麦秸秆晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，小麦秸秆的含水量控制在9%以下；

（2）人畜粪便的选取及准备：将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，其中，人畜粪便的含水量控制在18%以下；

（3）称重并混合：将经过步骤（1）、（2）处理后的小麦秸秆、人畜粪便和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节PH 至 8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm 滤膜，冷冻干燥得到的物质；

（4）浸渍处理：称取步骤（3）中的混合料100g、水0.55 L和高锰酸钾30 g，在60℃下进行混合浸渍处理，时间保持6小时，中间搅拌 4 次。

（5）脱水排氧：将步骤（4）处理后的混合料放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至175℃，并持续40分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；

（6）裂解碳化：将物料仓内的混合料送入裂解设备中，升温至 260℃，保持该温度 12分钟，然后在5分钟内升温至466℃，并保持该温度3小时，然后在3分钟内急冷至160℃，保持该温度40分钟，使物料充分完成碳化后自然冷却，即得到高吸附性能生物炭肥。

本发明一方面采用经过特殊方法处理过的草木灰作为催化剂，不仅可以大幅增加微孔从而增大比表面积，提高其吸附性能，而且还可以增加营养元素N、P、K以及多种微量元素，提高肥效。另一方面由于锰氧化物等电点PH值低、比表面积大，对重金属离子等各种污染物具有很强的吸附性能。因此，采用高锰酸盐预先浸渍处理生物质原料和人畜粪便，然后在较低温度下进行特有的二次裂解碳化方法，可以锁住生物质和人畜粪便中的营养元素，从而更好地满足作物生长的需要。

本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及同等代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应该包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (5)

1. 一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 ：

（1）生物质原料的选取及准备

所用生物质原料是玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、棉花秸秆、玉米芯、棉籽壳、稻壳、花生壳、豆壳、果壳、甘蔗渣、果皮、菜叶菜帮、等外果、残次果、树木残枝、木屑中的一种或若干种的任意混合物；

晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，得原料1 ；其中，生物质原料的含水量控制在 10% 以下；

（2）人畜粪便的选取及准备

将选取的人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀，得原料2；其中，人畜粪便的含水量控制在 20%以下；

（3）称重并混合

将原料1、原料2和催化剂按质量比3:2:1进行称重混合，其中所述催化剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节PH 至8.2~8.6，然后过滤，冷冻干燥而成；

（4）浸渍处理

以高锰酸盐为处理剂，将高锰酸盐和水按固液比为1:(20~40)进行混合，得到混合液；再将步骤（3）中所得的混合物放入混合液中浸渍，其中混合物和高锰酸盐的质量比为（3~7）：1，浸渍处理温度为室温~80℃，浸渍处理时间为4~24 小时；

（5）脱水排氧

将经步骤（4）处理后的混合物放入热解物料仓，仓内填充率大于 80%，将物料仓加热至150℃~200℃，并保温 20~60 分钟，利用产生的水蒸气将仓内残留空气充分排出；

（6）裂解碳化

将经步骤（5）处理后的混合物送入裂解设备中，升温至 250℃~260℃，保持该温度 10~15分钟，然后在5分钟内升温至460℃~470℃，并保持该温度3~4h，然后在3分钟内急冷至150℃~180℃，保持该温度 30~60分钟，使物料充分完成碳化后自然冷却，得到所述的高吸附性能生物炭肥。

2. 根据权利要求 1 所述的一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述草木灰为乔木燃烧后得到的草木灰。

3.根据权利要求 1 所述的一种高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于：过滤时采用 0.45μm 滤膜。

4. 根据权利要求1所述的高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述高锰酸盐为高锰酸钾或高锰酸钠。

5. 根据权利要求1所述的高吸附性能生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的浸渍处理温度为 25℃~60℃，时间为 6~8 小时，每间隔1~2小时搅拌一次。