CN108821260A - 一种通过蒸汽发泡制备的生物炭及其制备方法 - Google Patents

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曾广胜
谭益民
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Abstract

本发明公开了一种水蒸汽发泡加工高吸附性能生物炭材料的方法，所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1~3份、可降解树脂1~3份。本发明通过选取一定含水率的植物纤维，再加入发泡剂和可降解树脂压制成适当密度的料块后进行炭化，即可得到高稳定性、品质可控的、高吸附性、低成本的生物炭。并且此制备方法绿色环保，工艺简单稳定，成本较低，条件温和，适合生物炭产业化的大规模生产。

Description

一种通过蒸汽发泡制备的生物炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物炭制造技术领域，更具体地，涉及一种通过蒸汽发泡制备的生物炭及其制备方法。
背景技术
我国一直以来作为一个农业大国，每年都会产生大量的秸秆、稻草等农林废弃物。大多数时候，为了避免大量农林废料堆积，大量占据农田等土地资源，农民们直接将这些废弃物焚烧或掩埋，大量农林废弃物不但没有得到有效利用，农林纤维废弃物大量焚烧，造成资源浪费和环境污染，还会产生大量温室气体，对大气环境造成破坏。
生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化炭封存剂等，已广泛应用于固炭减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。在污水净化、人畜粪便处理等领域，我国每年需要大批量高吸附性能的生物炭，而秸秆、稻草等农林废弃物是一种很好的生物炭材料来源。
因此近年来很多学者都在研究利用农林废旧植物纤维加工成生物炭，然后利用生物炭吸附粪便和污水中的有机物等，干燥除臭后，再作为有机肥可用于生态有机农业。但是现有技术中生物炭的制备往往需要大量处理剂处理植物纤维后才能进行炭化处理，处理时间较长，成本相对较高，同时还需要加入大量添加剂才能制备出合格的生物炭，工序复杂，难把控，因此生产出的生物炭往往质量不稳定，无法大规模产业化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中生物炭处理时间长，成本高，工序复杂，质量不稳定等不足之处，提供一种通过蒸汽发泡制备的生物炭，解决生物炭制造成本高，质量稳定性等问题，得到一款材料内孔洞多、吸附性好的生物炭材料。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述生物炭的制备方法。
本发明通过蒸汽发泡制备的生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1～10份、可降解树脂1～10份。
优选地，生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂1～3份、可降解树脂2～5份。
优选地，生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂2份、可降解树脂3份。
进一步地，所述植物纤维包括桔梗纤维、稻草纤维、棉纤维、木纤维、草纤维、芦苇纤维中的一种或几种。
进一步地，所述发泡剂为水蒸气、碳酸氢钠、碳酸氢铵、酵母粉中的一种或几种。
优选地，所述发泡剂使用碳酸氢钠。
本发明创造性的利用水蒸气的热量和气体分解溢出作用，辅助成孔，使得材料内部能够形成大量大尺寸的孔洞，有效的增大了生物炭材料的吸附空间，提高了生物炭的吸附性。
进一步地，所述可降解树脂为聚乳酸。
生物炭制备过程中通过加入高度可降解的聚乳酸，一方面可提高材料的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，产生的二氧化碳可直接进入土壤有机质或被植物吸收，不会排入空气中，不会造成温室效应；另一方面聚乳酸的加入可以提高材料的抗拉强度及延展度，并且一定程度上还能增强材料粘合性。
本发明提供的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，具体包括以下制备步骤：
S1.预处理：将植物纤维粉碎，过筛，干燥；称取可降解树脂、发泡剂；
S2.混料：将步骤S1中处理后的植物纤维、发泡剂和可降解树脂混合均匀，压制成型，得料块；
S3.炭化：将步骤S3所得料块放入炭化炉，抽真空，加热，冷却，即得生物炭材料。
进一步地，所述步骤S1中处理后的植物纤维含水率为20～40％，植物纤维长度为10～50mm。
优选地，所述步骤S1中处理后的植物纤维含水率为30％，植物纤维长度为20mm。
纤维的含水率直接影响生物炭的成孔，含水率太低，则很难形成气孔，但含水率太高，则会造成纤维不能成块，同时也降低炭化速率和质量，因此本发明中提供的特定含水率的纤维能极大的促进生物炭材料成孔，同时有能使材料保持良好的强度和形状。
纤维的长度对生物炭密度、孔径有着不可估量的影响，纤维长度过短容易造成生物炭密度过大，孔径小，影响其吸附力；若纤维长度过长，则易导致孔隙的直径小，长度大，因此吸附过滤时间拉长，效果慢。
进一步地，所述步骤S1中过筛筛网孔径为10～50mm，干燥温度为40～60℃，干燥时间为30min～60min。
优选地，所述步骤S1中过筛筛网孔径为20～32mm，干燥温度为45～52℃，干燥时间为35min～48min。
进一步地，所述步骤S2中的料块密度为0.5～1.2Kg/m3。
优选地，所述步骤S2中的料块密度为0.7Kg/m3。
本发明通过控制适宜的料块密度，有效监控材料品质稳定性，如果密度太小，料块有可能会散掉，不能得到成块的生物炭，如果密度太大，则可能导致生物炭孔洞过少，影响吸附效果。
进一步地，所述步骤S2中压制成型温度为0～40，压力为1～50MPa。
优选地，所述步骤S2中压制成型温度为10～28℃，压力为10～30MPa.
进一步地，所述步骤S3中加热温度为150～400℃，加热时间为2～24h；冷却温度为10～35℃。
优选地，所述步骤S3中加热温度为240～320℃，加热时间为6～12h；冷却温度为15～25℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明创造性的利用较高含水量的植物纤维为原料，利用物理压缩，无氧加热炭化过程中，通过纤维中结晶水的蒸发和发泡剂分解出气体，在物料中形成大量孔洞(大尺寸孔)，另外，纤维由于脱水炭化，在纤维内部也会形成大量的毛细孔径(小尺寸孔)，大孔和小孔协调作用，对液体中的有机物、渣等具有强大的吸附和过滤能力，从而得到具有高吸附能力的生物炭，可用于吸附污水、粪便等中的固体渣，其吸附后的混合物可作为生态有机肥用于农林种植，该生物炭材料也可以用于燃烧、填充等其他领域。
本发明通过选取特定含水率的纤维为原料，一方面是含水率太低，则很难形成气孔，另一方面，含水率太高，则会造成纤维不能成块，同时也降低炭化速率和质量。因此适当含水率的纤维可以有效控制生物炭成孔。
本发明通过控制压制密度、把握炭化程度、纤维含量以及纤维长度大大提高了生物炭抗压强度。
本发明利用发泡剂辅助成孔作用的同时，加入可降解的PLA，不但提高了材料的生物可降解性，还可保持纤维块和生物炭有较好的强度，有利于后续使用，同时PLA炭化后，也能够提高生物炭的吸附能力。
本发明通过控制压制的纤维料块密度，控制材料品质稳定性，通过选取适宜的含水率纤维，结合发泡剂与可降解树脂，再精确控制料块密度从而获得高稳定性、品质可控的、高吸附性、低成本的生物炭。
并且此制备方法绿色环保，工艺简单稳定，成本较低，条件温和，适合生物炭产业化的大规模生产。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为30％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取0.1kg碳酸氢钠和1kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为10℃，压制压力为10MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在0.5kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在150℃，2小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
实施例2
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为20％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取1kg碳酸氢钠和2kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为15℃，压制压力为20MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在240℃，6小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
实施例3
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为25％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和2kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为20℃，压制压力为22MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在260℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
实施例4
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为30％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为28℃，压制压力为25MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
实施例5
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为35％的桔梗纤维粉碎，过孔径为40mm的筛网，于52℃干燥30min，称取3kg碳酸氢钠和5kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为28℃，压制压力为30MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在1.0kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
实施例6
通过蒸汽发泡制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为40％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于60℃干燥30min，称取10kg碳酸氢钠和10kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，在压制温度为40℃，压制压力为50MPa条件下压制成立方体，料块密度控制在1.2kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在400℃，16小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例1
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为10％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例2
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为45％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例3
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为30％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.4kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例4
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为30％的桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在1.4kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例5
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为30％的桔梗纤维粉碎，过孔径为50mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.7kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例6
一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1.预处理：取100kg含水率为10％的桔梗纤维粉碎，过孔径为50mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；
S2.混料：将步骤S1中处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在1.3kg/m3。
S3.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得生物炭制品。
对比例7
参考中国专利，专利号为2016100380762，名称为《一种新型环保生物炭的制备方法》中的实施例制备生物炭，具体步骤如下：
S1.原料选取：选用竹屑、木屑、杉树皮、橙树枯以及其他生物废料，其中竹屑占总原料比20％，其中杉树皮均占总原料比为5％，橙树枯均占总原料比为5％；
S2.混合筛选：将所有原料经混合粉碎处理，然后送至悬挂式振动分级筛选机进行筛选分级，保留2～7mm大小颗粒；
S3.烘干分离：筛选后的材料进入滚筒式烘干机，采用明火烘干后，利用引风机分离，抽取轻质颗粒待用，去除过重颗粒，风机流量25000～35000m3/h、转速1000r/min、全压1800～1300Pa；
S4.高压成型：通过脱水烘干的颗粒，输入高压成型机制成宽度5cm方型棒状；
S5.进窑炭化：将制成棒状的半成品由叉车推进轨道机械窑，闭窑6～10h后，上下开风口4～15cm排水汽3天左右，此过程还设置两个排烟管道，当水汽过旺时两个打开排放，当水汽过小时封闭一个排烟管道，此过程还需调节上下开风口大小，当排烟颜色太浓时需适当缩小风口，待蓝青色烟完全转成白烟开始炼窑；
S6.炼火出窑：炼火1～3天，待炭全红，其宽度收缩至3.6～3.7cm得高温炭，由卷扬机拉出生物炭，利用细沙全覆盖封闭24h，自然冷却得成品生物炭。
将实施例中制备得到的生物炭与对比例制备得到的生物炭进行对比，其产品密度、静吸附容量、可降解性、抗压强度性能结果如表1所示。
表1
密度(kg/m3) 静吸附容量(％) 可生物降解性(％) 抗压强度(MPa)
实施例1 0.42 50 100 6
实施例2 0.45 53 100 6
实施例3 0.4 58 100 7
实施例4 0.35 65 100 8
实施例5 0.32 61 100 7
实施例6 0.30 52 100 6
对比例1 0.45 28 100 7
对比例2 0.31 41 100 4
对比例3 0.28 40 100 4
对比例4 0.61 38 100 7
对比例5 0.38 39 99 5
对比例6 0.51 30 98 8
对比例7 0.43 42 87 6
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过蒸汽发泡制备的生物炭，其特征在于，所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1~10份、可降解树脂1~10份。
2.根据权利要求1所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭，其特征在于，所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂1~3份、可降解树脂2~5份。
3.根据权利要求1或2所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭，其特征在于，所述植物纤维包括桔梗纤维、稻草纤维、棉纤维、木纤维、草纤维、芦苇纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭，其特征在于，所述发泡剂为水蒸气、碳酸氢钠、碳酸氢铵、酵母粉中的一种或几种；所述可降解树脂为聚乳酸。
5.权利要求1~4任一项所述通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1. 预处理：将植物纤维粉碎，过筛，干燥；称取可降解树脂、发泡剂；
S2. 混料：将步骤S1中处理后的植物纤维、发泡剂和可降解树脂混合均匀，压制成型，得料块；
S3. 炭化：将步骤S3所得料块放入炭化炉，抽真空，加热，冷却，即得生物炭材料。
6.根据权利要求5所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，所述步骤S1中处理后的植物纤维含水率为20~40%，植物纤维长度为10~50mm。
7.根据权利要求5所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，所述步骤S1中过筛筛网孔径为10~50mm，干燥温度为40~60℃，干燥时间为 30min~60min。
8.根据权利要求5所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，所述步骤S2中的料块密度为0.5~1.2Kg/m3。
9.根据权利要求5所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，所述步骤S2中压制成型温度为0~40℃，压力为1~50MPa。
10.根据权利要求5所述的通过蒸汽发泡制备的生物炭的方法，其特征在于，所述步骤S3中加热温度为150~400℃，加热时间为2~24h；冷却温度为10~35℃。
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