CN107555411B - 一种富锌生物炭制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种富锌生物炭制备方法；为了有效利用西藏地区的牦牛粪这种生物质，采用水热炭化技术制备控释材料，控释性能强、富含植物必须的微量元素锌，对环境污染小、可充分利用其资源、工艺简单、获得质优价廉尤其适合华北地区土壤特点的新型生物炭控释材料。方法是牦牛粪清理干净，100‑110℃烘干，烘干时间为10‑20h，粉碎，过20‑100目筛；将过筛后的牦牛粪和催化剂ZnCl₂粉末混合于反应釜内，在150‑350℃下热解1‑2小时，冷却至室温，100‑110℃烘干，烘干时间为10‑20h，研磨，过50‑150目筛，得到碳化粉末；应用于控释化肥。减少环境排放及污染，取得良好经济效益。

Description

一种富锌生物炭制备方法

技术领域

本发明属于生物质的资源化利用，具体涉及利用牦牛粪生产富锌生物炭基控释材料的方法。

背景技术

我国耕地资源有限，人均耕地面积只有1.3亩。为支撑庞大人口的粮食需求，在耕地无法增加的情况下过分追求产量使得我国化肥使用量巨大，过量的化肥使用不仅导致我国化肥利用率不足30％，效率低下；急需研发成本低廉、环境友好的控释肥以提高氮肥利用效率和减少环境污染。

另一方面，据京津冀地区养分调查显示，华北地区缺锌土壤面积达到了70％，微量元素的补充成为了农业生产的重点。控释肥料是一种根据作物不同生长阶段对营养需求而释放养分的新型肥料，具有控制肥料养分释放、肥效周期长等特征，可使传统化肥利用率提高50％以上。我国《国家中长期科学发展纲要(2005—2020年)》中已将研发缓控释肥等列为发展主题。

根据制作工艺的不同可分为两大类，非包膜肥料和包膜肥料。非包膜型材料主要是指通过在肥料中添加阻容性物质或养分抑制剂等化学方法来制备，工艺复杂，制备成本较高。包膜肥料则是指以颗粒性肥料(如氮或复合肥等)为核心,表层涂覆一层或多层低水溶性或微溶性无机物质或有机化合物制成。凭借包膜材料的性质的不同及包衣膜层厚度的改变,进而调控肥料内养分的释放速率。其生产工艺简便，而且可以广泛适用于普通肥料，从技术层面和经济层面上占有较大的优势。但传统的树脂包膜材料不仅价格昂贵，施入土壤中后不易降解,对土壤结构造成破坏，连年施用甚至会造成土壤污染。因此，设计高效、廉价、环境友好的包膜材料是制备包膜控释肥关键和难点。

我国牦牛粪年产量达400多万吨，具有养分含量高尤其是锌含量高、有害物质少的特点，直接焚烧和弃置等不当利用方式造成了严重的资源浪费和环境污染。生物质热解炭化技术作为农业废弃物资源再利用的途径受到了人们的关注，通过水热炭化技术制备的生物炭作为一种新型环境友好材料，具有多孔性、巨大的比表面积、表面负电荷和电荷密度等特性使其能够吸附和固持肥料中的养分，从而实现控释效果，其强大的吸附能力还能起到钝化土壤污染物，起到土壤修复的功能。因此，以制备富锌生物炭作为控释肥的控释材料，不仅能够有效的解决牦牛粪再利用和缓释材料污染的问题,而且可以有效改良土壤，补充土壤微量元素，显著提高肥料的利用效率。但当前申请的相关技术产品一方面忽略了普通牛粪因牛粪中重金属含量较高制备生物炭会造成环境风险；另一方面没有对农田土壤的养分状况特点进行有针对性的设计控释材料。

因此，采用富锌牦牛粪制备控释肥控释材料，不仅环境友好，控释性能强，也非常适宜京津冀农田土壤的特点，为制备适应京津冀地区的控释肥提供了关键的技术基础。

发明内容

本发明是为了有效利用西藏地区的牦牛粪这种生物质，采用水热炭化技术制备控释材料，控释性能强、富含植物必须的微量元素锌，对环境污染小、可充分利用其资源、工艺简单、获得质优价廉尤其适合华北地区土壤特点的新型生物炭控释材料。

本发明的技术方案如下：

一种富锌生物炭的制备方法，包括以下步骤：

1)牦牛粪清理干净，100-110℃烘干，烘干时间为10-20h，粉碎，过20-100目筛；

2)将过筛后的牦牛粪和催化剂ZnCl₂粉末混合于反应釜内，在150-350℃下热解1-2小时，冷却至室温，100-110℃烘干，烘干时间为10-20h，研磨，过50-150目筛，得到碳化粉末。

所述步骤1)优选烘干温度为105℃，烘干时间为12h；

所述步骤1)优选过40-80目筛；更优选过50目筛；

所述步骤2)中牦牛粪和催化剂的混合质量比为10:0.5-1；

所述步骤2)热解温度为200-300℃；

所述步骤2)优选烘干温度为105℃，烘干时间为12h；

所述步骤2)优选研磨过80-120目筛；更优选过100目筛。

本发明一种富锌生物炭应用于控释化肥。将本发明的高效控释材料，再与不同比例的肥料、水肥耦合剂、水药耦合剂、肥药耦合剂等复合共混或造粒，可得到系列新型高效控释化肥，其生产成本低，工艺简单。经试验，系列新型高效控缓释化肥总养分高于33.6％(中浓度)和45.4％(高浓度)，控释肥料的单一养分含量不低于6.7％。在25℃静水中浸泡24小时初期氮磷等大量元素养分释放率小于12.0％，微量元素Zn释放率小于2％，28d累积养分释放率小于79.0％，，养分释放期内累积释放率大于95.6％,养分锌累积释放率为10％。肥料养分有效利用率提高40.1％以上，微量元素锌的释放速率刚好满足农作物的生长需要。本材料制备的控释肥可大幅减少化肥的使用量及施肥次数，提高化肥有效利用率，可有效减轻化肥对生态环境的破坏。技术经济指标优于缓释肥料国家标准GB-T23348-2009。

本发明与现有的制备方法相比有以下限制特点和有益效果：

1)制备生物炭控释材料的的原材料来源广泛，且养分含量高、有害物质少。生物炭制备过程同时实验了废物资源化，又有利于用于制备肥料，有益于土壤。

2)牦牛粪较传统养殖动物粪便材料养分含量更高，且重金属含量远低于传统养殖牛羊粪便，经检测表明，牦牛粪制备炭材料的重金属As,Cd,Pb,Mn,Cr,Cu含量均低于国家有机-无机复混肥料标准(GB 18877-2009)。

3)采用水热炭化技术制得的生物炭控释材料呈酸性，pH<7，非常适合于北方的盐碱土地使用。

4)本发明的高效控释材料所具有的优良缓控释特性，在医学、制药、化肥、农药、环境治理等方面具有广阔的应用前景。且本发明的牦牛粪来源广泛，价格低廉，具有广阔的应用价值。

5)本发明一方面通过牦牛粪制备价格低廉高效、环境友好的控释材料，在对养分起到。缓释作用的同时，制备的控释材料本身因锌含量丰富(＞40mg/kg)，且释放速率符合植物生长规律，可以为植物的生长提供植物所需的微量元素。在津京冀土壤锌缺乏较普遍且的情况下，通过制备富锌生物炭材料用于富锌控释肥料的制备，将有助于提高京津冀地区农田肥料的利用效率，减少环境排放及污染，在取得良好经济效益的同时，获得巨大的环境效益和社会效益。

附图说明

图1本发明工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：

1.工艺流程图见图1。将牦牛粪去掉杂质，破碎，风干。将风干后置于烘箱中于105℃下烘干，烘干时间为12h，然后用粉碎机粉碎，过50目筛，得到粉末。

2.将牦牛粉末与催化剂ZnCl₂质量比10:0.5混合，置于反应釜内，启动电源从室温开始加热，设置反应签内搅拌转速为100r min^-1反应条件分别为300℃下保持2h，反应结束后切断加热电源,待装置冷却至室温后打开反应装置，取出固体(水热炭)，105℃烘干12h，过100目筛。既得到富锌生物炭控释材料，Zn含量为40mg/kg，产率为48％，肥效实验28d累积养分释放率为63.0％，得到生物炭控释材料B-1。

实施例2：

1.工艺流程图见图1。将牦牛粪去掉杂质，破碎，风干。将风干后置于烘箱中于105℃下烘干，烘干时间为12h，然后用粉碎机粉碎，，过50目筛，得到粉末。

2.将牦牛粉末与催化剂ZnCl₂质量比10:0.7混合，置于反应釜内，启动电源从室温开始加热，设置反应签内搅拌转速为100r min^-1反应条件分别为250℃下保持1h，反应结束后切断加热电源,待装置冷却至室温后打幵反应装置，取出固体(水热炭)，105℃烘干12h，过100目筛。既得到富锌生物炭控释材料，Zn含量为38.5mg/kg，产率为57％，肥效实验28d累积养分释放率为68.7％，得到生物炭控释材料B-2。

实施例3：

1.工艺流程图见图1。将牦牛粪去掉杂质，破碎，风干。将风干后置于烘箱中于105℃下烘干，烘干时间为12h，然后用粉碎机粉碎，，过50目筛，得到粉末。

2.将牦牛粉末与催化剂ZnCl₂质量比10:1混合，置于反应釜内，启动电源从室温开始加热，设置反应签内搅拌转速为100r min^-1反应条件分别为200℃下保持2h，反应结束后切断加热电源,待装置冷却至室温后打幵反应装置，取出固体(水热炭)，105℃烘干12h，过100目筛。既得到富锌生物炭控释材料，Zn含量为50mg/kg，产率为59％，肥效实验28d累积养分释放率为75.1％，得到生物炭控释材料B-3。

实施例4：

1.工艺流程图见图1。将牦牛粪去掉杂质，破碎，风干。将风干后置于烘箱中于105℃下烘干，烘干时间为12h，然后用粉碎机粉碎，，过40目筛，得到粉末。

2.将牦牛粉末与催化剂ZnCl₂质量比10:0.7混合，置于反应釜内，启动电源从室温开始加热，设置反应签内搅拌转速为100r min^-1反应条件分别为250℃下保持1h，反应结束后切断加热电源,待装置冷却至室温后打幵反应装置，取出固体(水热炭)，105℃烘干12h，过80目筛。既得到富锌生物炭控释材料，Zn含量为37.5mg/kg，产率为56.5％，肥效实验28d累积养分释放率为68.5％，得到生物炭控释材料B-4。

实施例5：

1.工艺流程图见图1。将牦牛粪去掉杂质，破碎，风干。将风干后置于烘箱中于105℃下烘干，烘干时间为12h，然后用粉碎机粉碎，过80目筛，得到粉末。

2.将牦牛粉末与催化剂ZnCl₂质量比10:0.5混合，置于反应釜内，启动电源从室温开始加热，设置反应签内搅拌转速为100r min^-1反应条件分别为300℃下保持2h，反应结束后切断加热电源,待装置冷却至室温后打开反应装置，取出固体(水热炭)，105℃烘干12h，过120目筛。既得到富锌生物炭控释材料，Zn含量为39mg/kg，产率为46％，肥效实验28d累积养分释放率为62.9％，得到生物炭控释材料B-5。

Claims (7)

1.一种富锌生物炭的制备方法，采用水热炭化技术制备控释材料，其特征在于包括以下步骤：

1)牦牛粪清理干净，100-110℃烘干，烘干时间为10-20h，粉碎，过20-100目筛；

2)将过筛后的牦牛粪和催化剂ZnCl₂粉末混合于反应釜内，混合质量比为10:0.5-1，在150-350℃下热解1-2小时，冷却至室温，100-110℃烘干，烘干时间为10-20h，研磨，过50-150目筛，得到碳化粉末。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤1)烘 干温度为105℃，烘干时间为12h。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤1)过40-80目筛。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤2)热解温度为200-300℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤2)烘干温度为105℃，烘干时间为12h。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤2)研磨过80-120目筛。

7.利用权利要求1的方法制备的一种富锌生物炭应用于控释化肥。

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