CN107934973A

CN107934973A - 一种由农业废弃物制备植物性硅的方法及装置

Info

Publication number: CN107934973A
Application number: CN201711191778.5A
Authority: CN
Inventors: 董兆麟; 吉川晃敏
Original assignee: Shanghai Lin Min Mdt Infotech Ltd
Current assignee: Shanghai Lin Min Mdt Infotech Ltd
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明提供了一种由农业废弃物制备植物性硅的方法及装置。本发明方法中，在外加磁场条件下以农业废弃物为原料，制备植物性硅，能够一次生成、并提供微米级粒径均一的颗粒硅材料，不仅能够实现农业废弃物的充分利用，同时还能够减少硅的粉碎和研磨成本；同时，本发明方法中，仅在启动阶段进行加热，后续反应阶段自发进行，而这也能够降低本发明方法的能源消耗。

Description

一种由农业废弃物制备植物性硅的方法及装置

技术领域

本发明涉及硅材料领域，具体而言，涉及一种由农业废弃物制备植物性硅的方法及装置。

背景技术

无论是在通讯、电子、航空等高科技领域中，还是在橡胶、塑料、建材、日用化工等生产、生活领域中，都有着硅材料的广泛应用。而硅材料的制备，在传统上则是以硅矿石为原料，经冶炼、化学反应等方法进行，不仅成本高、能耗高、技术复杂，而且对于设备的精度要求高，还会由于矿石的开采产生环境破坏，所产生的废水、废料等也会造成环境污染。

由于大规模的农业生产，我国每年会产生大量的农业废弃物，例如，我国大面积的水稻种植就会产生大量稻壳、稻糠或者稻秆等农业废弃物，由于综合利用(例如发酵肥料或者发电)的规模有限，大部分的农业废弃物还是需要采用掩埋或者焚烧的方法进行处理。然而，掩埋需要占用大量的土地，这对于人口较为密集的农业生产区而言并不现实，而焚烧则会造成空气污染，影响健康。

农作物在生长过程中，会从土壤中吸收各种元素，例如水稻就是一种天然的富集硅酸的植物，稻壳中的主要成分就是碳化物和硅化物，其焚烧后的灰烬中，就含有大量的二氧化硅等硅化物成分。同时，由于植物中所吸收的硅化物都经过的生物性的“加工”，也使得其所富含的硅化物具有较高的纯度和活性，将其进行有效提取，则不仅能够实现农业废弃物的充分利用，同时也能够减少对于自然硅矿资源的依赖。

现有的以农业废弃物为原料进行二氧化硅等硅材料的提取和制备方法中，多需要对农业废弃物进行持续加热，而且在加热后还需要进行化学处理，所得产物的粒径难以控制，往往还需要进一步的研磨，不仅工艺复杂，而且能耗高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种由农业废弃物制备植物性硅的方法，本发明所述的方法中，以农业废弃物为原料，能够在降低硅材料生产成本的同时，实现农业废弃物的充分利用；同时，本发明方法能耗低，且产物纯度高、粒径均匀。

本发明的第二目的在于提供一种由本发明所述的方法所得到的植物性硅，本发明植物性硅具有纯度高、颗粒粒径均匀等优点。

本发明的第三目的在于提供一种用于实施本发明方法的装置。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种由农业废弃物制备植物性硅的方法，所述方法包括如下步骤：将农业废弃物加热后，停止外部加热；然后，在外加磁场下，农业废弃物逐渐升温；然后，调整温度，并继续放置；接着降温，将产物分离，并分别得到植物性硅和熏灰。

优选的，本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法中，所述农业废弃物为稻壳、稻糠、高粱壳、稻杆、高粱秆，或者玉米秆中的一种或几种的混合物。

优选的，本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法中，所述将农业废弃物加热为将农业废弃物加热至200～400℃。

优选的，本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法中，所述外加磁场为由磁体所提供的外加磁场。

优选的，本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法中，所述农业废弃物逐渐升温为：在加热余温以及外加磁场下，农业废弃物在3～5h内，逐渐升温至600～1500℃。

优选的，本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法中，所述继续放置的时间为6～10h。

同时，本发明还提供了由所述的农业废弃物制备植物性硅的方法所得到的植物性硅。

进一步的，本发明也提供了一种用以实施本发明所述的由农业废弃物制备植物性硅的方法的装置。

优选的，本发明所述的装置中，包括加料口、炉体和出料口；其中，农业废弃物由加料口中加入炉体。

优选的，本发明所述装置中，所述炉体内还设置有用以提供外加磁场的磁体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明方法中，采用外加磁场的方法进行生产，从而可以控制颗粒在燃烧过程中能保持很高的各向异性，从而使得产物植物性硅的粒径更加均匀；

(2)本发明方法能够一次生成、并提供微米级粒径均一的颗粒硅材料，减少了硅的粉碎和研磨成本；

(3)本发明方法中，仅在启动阶段进行加热，而在后续的制备过程中，通过农业废弃物自身的能源和磁场的作用，实现升温反应，不需要额外提供能量，这相较于传统持续加热的方法而言，节约了大量的能耗；

(4)本发明方法中，通过以稻壳，秸秆，玉米杆等的农业废弃物为原料，大大的降低了有机硅的生产成本，并且为农业上处理秸秆等焚烧还田所产生的大量污染提供了良好的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的产物形态图；

图3为本发明实施例1中分别收集的产物图；

图4为本发明对比例1的产物形态图。

其中，图1中，1-炉体，2-加料口，3-出料口，4-磁体，5-排气管，6-热量循环传递管，7-电机，8-排水管，9-观察口。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

有鉴于目前所存在着的农业废弃物利用不充分，以及现有的利用方法存在能耗高、产物硅材料纯度低、粒径不均匀等各方面问题，本发明特提供了一种农业废弃物利用的新方法，并以农业废弃物为原料用于制备植物性硅，从而解决现有技术中所存在着的种种问题。

具体的，本发明所述的方法包括如下步骤：

(a)将农业废弃物加热后，停止外部加热；

优选的，此步骤中，所述农业废弃物为所述农业废弃物为稻壳、稻糠、高粱壳、稻杆、高粱秆，或者玉米秆中的一种或几种的混合物；更优选的，所述农业废弃物为稻壳、稻糠，或者稻秆中的一种；

优选的，此步骤中，是将农业废弃物经由加料口送入炉体，并在炉体内进行加热；同时，由于炉体中设置有磁体，因而能够在整个反应过程中都提供一个较强磁场环境，即使在前期的加热过程中，这种磁场也是能够对原料农业废弃物产生影响的，而这也有利于产物硅材料的颗粒控制以及粒径的均一性；

优选的，此步骤中，可以通过电热、煤炭或者燃气等方式，对炉体的外表面进行加热，进而使得投入炉体中的农业废弃物升温，并优选的升温至200～400℃，然后停止外界加温；

而此步骤主要的目的就是启动反应，为农业废弃物利用自身含碳物质的燃烧和利用提供初始的能量，而当加热至一定温度后，农业废弃物就能够利用其所包含的含碳物质为后续的反应提供充足的能量，使得反应能够自发的持续进行；

而通过采用这种外加热启动，然后停止加热的方法，也能够避免现有处理方法需持续加热，从而导致的能源浪费等问题；

(b)在外加磁场下，农业废弃物逐渐升温；然后，调整温度，并继续放置；接着降温，将产物分离，并分别得到植物性硅和熏灰。

此步骤中，在外加磁场和炉内余温的环境中，在前一阶段在炉体内被加热的农业废弃物利用自身能源物质继续升温，并优选的在3～5h内，逐渐升温至600～1500℃；

而在升温过程中，需要根据对产物植物性硅纯度要求的不同，对农业废弃物在此阶段所能够达到的最高温度进行控制，当达到预设的温度后，就需要进行温控处理(调整温度)，使得体系内的温度不再升高；而温度控制则是通过炉体内热空气循环，并与外界环境换热实现的；

在进行温控处理后，继续农业废弃物放置6～10h；然后打开炉门降温，并优选的在降温至室温或稍高于室温时，通过出料口将产物取出，并对产物植物性硅和农业废弃物中含碳有机质燃烧所生成的熏灰分别进行收集。

如上所述的方法中，整个反应的过程实际上都是在磁场存在的条件下进行的。

众所周知的是，磁场对于磁矩有作用力，电子的自旋或轨道运动形成磁矩,因而电子都受到磁场的直接作用力。通过对磁矩的强烈作用(强磁场)，能够改变物质内部的电子分布结构,从而能够改变物质的特性。进一步的，强磁场能够非常有效地诱导自旋、轨道有序,并改变电子能态和原子、分子间的相互作用,使之出现全新的物质状态,呈现多种多样新的物理、化学现象和效应。如磁场诱导的电子结晶点阵即Wigner固体；磁场诱导的绝缘体向金属转变并具超导电性。

同样的，炉体内所设置的磁体也能够在整个反应过程中，对反应体系产生影响，例如由磁体所产生的磁场能够影响反应体系的pH值、反应进行速率，以及反应活化能等因素，使得中间体植物性硅颗粒在燃烧反应过程中保持很高的各向特性，同时炉内发生还原反应，并通过一段时间的反应，得到具有高纯度、高粒径均一性的植物性硅。

而由本发明方法所得到的植物性硅的纯度能够达到80％-99％(2N～6N)，并能够通过步骤(b)中的温控处理以得到具有不同纯度的植物性硅；同时，该植物性硅的粒径能够达到微米级，而这也能够降低其进一步利用所需的粉碎和研磨成本。

用以实现本发明方法的装置结构也较为简易，主要包括加料口、炉体以及出料口；

炉体内设置有磁体，优选的是将磁体设置于炉体的底部，而所设置的磁体优选的为超导磁体，磁体的数量优选的为2～12个，或者还可以根据需要设置12个以上的磁体，以形成强力磁场；

同时，为了便于观察炉内的反应情况，本发明装置中还优选的在炉体的上部设置观察口；

进一步的，炉体上还设置有热量循环传递管，当炉体内温度达到/超过预设温度时，则需要开启热能循环传递管的运行开关，并使得炉体内的热空气能够通过热能循环传递管与外界冷环境接触，从而起到热量释放，进而实现炉体控温的目的；

同时，为了使得炉体内热空气的循环更为有效，本发明装置中优选的还设置有电机，通过电机的带动，能够使得炉体内的热空气流动更快，也能够更为迅捷的通过热量循环传递管与外部环境进行换热；

同样的，炉体底部还优选的设置有排气管，而排气管不仅能够起到降低炉体压力、防止炉体内压力过大的作用，同时也能够通过热空气的循环而起到降低炉体温度、实现温度控制的效果；

进一步的，原料农业废弃物由加料口送入炉体内，并在炉体内由外部热源进行加热，停止加热后，炉体内被加热的农业废弃物在磁场和炉体内余热的条件下，进行后续的反应，并由出料口得到产物，并对植物性硅和熏灰分别进行收集。

实施例1

请参考图1所示装置，按照如下方法制备实施例1的植物性硅：

将100Kg稻壳由加料口2中加入炉体1，然后通过燃气对炉体1的外表面进行加热；

加热至炉内1的温度达到350℃左右，停止外部加热；

在加热余温以及炉体1底部所设置的磁体4所产生的磁场作用下，在前一阶段加热后的稻壳利用自身所含有的含碳有机质的燃烧继续升温，经过4h左右后，炉体1内的温度会升温至800℃左右；

开启热量循环传递管6和电机7的开关，从而使得炉体1内的热空气通过电机7的带动而进入热量循环传递管6中，并通过热量循环传递管6与外界环境接触降温，并使得炉体1内的温度不再上升，并继续放置8h；

然后，打开炉门，使得炉体1的温度降至室温，然后在出料口3将产物取出，产物形态如图2所示，其中图2中白色物质为植物性硅，黑色物质为熏黑；

分别收集产物植物性硅和熏黑，所收集的产物如图3所示，其中，图3左下角盒中所盛装物质即为植物性硅，其余黑色物质即为熏黑；植物性硅的产率(以二氧化硅计)为12.7％；

对实施例1中的产物植物性硅进行成分检测，结果发现，实施例1中产物植物性硅中，主要成分为SiO₂,同时还含有K₂O、CaO、P₂O₅、Fe₂O₃、MnO、ZnO、Na₂O、CuO，以及NiO等杂质成分；

其中，实施例1所得产物植物性硅中SiO₂的质量百分数为95.3％，粒径分布在5～30μm间。

实施例2

以实施例1中相同的装置进行实施例2的植物性硅的制备，实施例2的具体步骤如下：

将100Kg稻秆由加料口中加入炉体，然后通过燃气对炉体的外表面进行加热；

加热至炉内的温度达到300℃左右，停止外部加热；

在加热余温以及炉体底部所设置的磁体所产生的磁场作用下，在前一阶段加热后的稻壳利用自身所含有的含碳有机质的燃烧继续升温，经过4h左右后，炉体内的温度会升温至700℃左右；

对炉体内的温度进行调节，并使得炉体内的温度不再上升，并继续放置8h；

然后，打开炉门，使得炉体的温度降至室温，然后在出料口将产物取出，并分别收集产物植物性硅和熏黑；植物性硅的产率(以二氧化硅计)为11.9％；

实施例2中，产物植物性硅的组成与实施例1中基本相同；

其中，实施例2所得产物植物性硅中SiO₂的质量百分数为93.6％，粒径分布在5～30μm间。

实施例3

以实施例1中相同的装置进行实施例3的植物性硅的制备，实施例3的具体步骤如下：

将100Kg玉米秸秆由加料口中加入炉体，然后通过燃气对炉体的外表面进行加热；

加热至炉内的温度达到250℃左右，停止外部加热；

然后，打开炉门，使得炉体的温度降至室温，然后在出料口将产物取出，并分别收集产物植物性硅和熏黑；植物性硅的产率(以二氧化硅计)为10.6％；

实施例3中，产物植物性硅的组成与实施例1中基本相同；

其中，实施例3所得产物植物性硅中SiO₂的质量百分数为92.7％，粒径分布在5～50μm间。

实施例4

以实施例1中相同的装置进行实施例4的植物性硅的制备，实施例4的具体步骤如下：

将100Kg稻壳和稻糠的混合物由加料口中加入炉体，然后通过燃气对炉体的外表面进行加热；

加热至炉内的温度达到200℃左右，停止外部加热；

在加热余温以及炉体底部所设置的磁体所产生的磁场作用下，在前一阶段加热后的稻壳利用自身所含有的含碳有机质的燃烧继续升温，经过4h左右后，炉体内的温度会升温至900℃左右；

然后，打开炉门，使得炉体的温度降至室温，然后在出料口将产物取出，并分别收集产物植物性硅和熏黑；植物性硅的产率(以二氧化硅计)为13.1％；

实施例4中，产物植物性硅的组成与实施例1中基本相同；

其中，实施例4所得产物植物性硅中SiO₂的质量百分数为95.7％，粒径分布在5～50μm间。

实施例5

以实施例1中相同的装置进行实施例5的植物性硅的制备，实施例5的具体步骤如下：

将100Kg高粱秆和玉米秆的混合物由加料口中加入炉体，然后通过燃气对炉体的外表面进行加热；

加热至炉内的温度达到400℃左右，停止外部加热；

在加热余温以及炉体底部所设置的磁体所产生的磁场作用下，在前一阶段加热后的稻壳利用自身所含有的含碳有机质的燃烧继续升温，经过4h左右后，炉体内的温度会升温至1000℃左右；

对炉体内的温度进行调节，并使得炉体内的温度不再上升，并继续放置7h；

然后，打开炉门，使得炉体的温度降至室温，然后在出料口将产物取出，并分别收集产物植物性硅和熏黑；植物性硅的产率(以二氧化硅计)为13.7％；

实施例5中，产物植物性硅的组成与实施例1中基本相同；

其中，实施例5所得产物植物性硅中SiO₂的质量百分数为95.5％，粒径分布在5～50μm间。

对比例1

采用实施例1中结构类似的装置进行对比例1的生产，其中，对比例1装置中不设置磁体，反应环境中也不外加磁场。

将100Kg稻壳由加料口中加入炉体，然后通过燃气对炉体的外表面进行加热；

加热至炉内的温度达到350℃左右，停止外部加热；

在加热余温下，在前一阶段加热后的稻壳利用自身所含有的含碳有机质的燃烧继续升温，经过4h左右后，炉体内的温度会升温至800℃左右；

然后，打开炉门，使得炉体的温度降至室温，然后在出料口将产物取出，产物形态如图4所示，由图4可知，对比例1中原料的转化率较低，并未明显生成植物性硅；经称量计算，对比例1中，植物性硅的产率(以二氧化硅计)为1.9％；

由实施例1和对比例1产物形态的图2和图4对比可知，通过外加磁场，能够明显提高植物性硅的产率。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种由农业废弃物制备植物性硅的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将农业废弃物加热后，停止外部加热；然后，在外加磁场下，农业废弃物逐渐升温；接着，调整温度，并继续放置；然后降温，将产物分离，并分别得到植物性硅和熏灰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农业废弃物为稻壳、稻糠、高粱壳、稻杆、高粱秆，或者玉米秆中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将农业废弃物加热为将农业废弃物加热至200～400℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外加磁场为由磁体所提供的外加磁场。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农业废弃物逐渐升温为：在加热余温以及外加磁场下，农业废弃物在3～5h内，逐渐升温至600～1500℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述继续放置的时间为6～10h。

7.由权利要求1-6中任一项所述的方法所得到的植物性硅。

8.实施权利要求1-6中任一项所述的方法的装置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置包括加料口、炉体和出料口；

其中，农业废弃物由加料口中加入炉体。

10.根据要求9所述的装置，其特征在于，所述炉体内还设置有用以提供外加磁场的磁体。