CN109019555A - 一种柱塞挤压法制备的生物炭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柱塞挤压法制备的生物炭及其制备方法，所述生物炭由以下组分制成：植物纤维、蔗糖、米糠和淀粉，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1~3%，所述米糠加入量为植物纤维质量的1~3%，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1~3%，所述植物纤维为禾本科植物纤维。本发明开创性地以稻草、秸秆等农林废弃物为原料，与淀粉混合均匀后，配合使用米糠和蔗糖，科学合理设计配方，在柱塞式挤压炭化装置中进行炭化处理，不但使农林废弃物得到合理的资源化利用，而且本发明提供的方法工艺简单、生产效率高。

Description

一种柱塞挤压法制备的生物炭及其制备方法
技术领域
本发明属于生物质资源化利用领域，更具体地，涉及一种柱塞挤压法制备的生物炭及其制备方法。
背景技术
我国作为一个农业大国，每年都会产生大量的秸秆、稻草等农林废弃物。然而，大量农林废弃物并没有得到有效利用，而是堆积在田间地头占据大量的土地资源，或者直接焚烧，产生大量温室气体，对大气环境造成较大的破坏。
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碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、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，合理利用秸秆、稻草等农林废弃物资源制备高吸附性能并且性能稳定的生物炭材料具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术中生物炭材料及制备技术的不足，提供一种柱塞挤压法制备的生物炭。该生物炭材料具有活性好、吸附性能高和抗压强度佳的特点。
本发明要解决的另一技术问题是提供上述生物炭的制备方法。该方法将秸秆、稻草等农林废弃物通过柱塞式挤压制备成高吸附性能生物炭材料，不但实现农林废弃物等生物质资源的合理化利用，而且该方法还具备工艺简单，生产效率高等优点。
本发明还一要解决的技术问题是提供实现上述制备方法的柱塞式挤压炭化装置。该炭化装置具备结构简单，受热均匀和环保节能的优点，解决了生物炭制备效率低，污染环境的问题
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：植物纤维、蔗糖、米糠和淀粉，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1～3％，所述米糠加入量为植物纤维质量的1～3％，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1～3％，所述植物纤维为禾本科植物纤维。
进一步地，所述生物炭由以下组分制成：植物纤维、蔗糖、米糠和淀粉，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1～2％，所述米糠加入量为植物纤维质量的1～2％，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1～2％。
更进一步地，所述禾本科植物纤维为稻草、秸秆中任意一种。
更进一步地，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或小麦淀粉中任意一种。
本发明以植物纤维为原料，配合加入淀粉、米糠和蔗糖，科学合理设计配方，在该配方下制备的生物炭对多种类型物质均具有很好的吸附效果，尤其是对大尺寸固体渣、分子、离子级盐、微生物等的吸附作用，生物炭的力学性能和吸附性能好；本发明在植物纤维中加入淀粉混匀后共炭化，淀粉在炭化过程中膨胀，能够形成30倍以上的轻质生物炭，进一步提高材料最终吸附性能。
一种上述柱塞挤压法制备的生物炭的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.将植物纤维进行预处理，待用；
S2.在步骤S1中得到的植物纤维中加入淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2得到的混合物在一定条件下进行炭化处理后，即得到生物炭；
其中，步骤S3中，所述炭化处理在柱塞式挤压炭化装置中进行。
本发明先将植物纤维进行破碎和干燥处理，选取处理好的植物纤维与淀粉、米糠和蔗糖共混后，在柱塞式挤压炭化装置中同时进行炭化处理，通过严格控制各步骤的工艺参数，即得高吸附性能生物炭；本发明提供的方法工艺简单、生产效率高。
一种实现上述制备方法的柱塞式挤压炭化装置，所述炭化装置呈“T”字型，所述炭化装置包括炭化筒和料筒，所述“T”字型的横向部分为炭化筒，所述“T”字型的竖向部分为料筒，所述料筒和炭化筒相互连通；
所述料筒上设有料斗，所述料斗用于将物料送入料筒中；所述料筒内还设有活塞一，所述活塞一上连接有伸缩缸一，所述伸缩缸一带动活塞一沿料筒内壁做往复滑动；
所述炭化筒内设有活塞二，所述活塞二上连接有伸缩缸二，所述伸缩缸二用于带动活塞二沿炭化筒内壁做往复滑动；所述炭化筒外壁上还设置有加热器，用于加热活塞一推送至炭化筒中的物料；所述炭化筒远离伸缩缸二的一端还活动连接有密封阀门，所述密封阀门上连接有驱动装置，用于控制密封阀门的开合。
更进一步地，所述驱动装置包括齿轮一、齿轮二和驱动电机。
更进一步地，所述旋转轴固定连接在炭化筒外壁，所述密封阀门在驱动装置带动下自由转动；
所述齿轮一连接于密封阀门上，所述齿轮一与齿轮二相互啮合；
所述齿轮二与驱动电机共轴，所述驱动电机用于带动齿轮二转动。
进一步地，步骤S1中，所述预处理为：将植物纤维进行破碎，然后干燥。
更进一步地，所述植物纤维破碎后的长度小于5mm。
植物纤维的含水率过高时，其在炭化处理过程中会产生大量的水蒸气，不但会降低炭化效率和质量，还会影响设备的使用寿命；为了严格控制植物纤维的含水率，本发明对破碎后的植物纤维进行干燥，更进一步地，所述干燥的方式为烘干，干燥后的植物纤维含水率≤3％。
本发明将植物纤维和玉米淀粉等混合后在一定的压力和温度条件下进行炭化处理，然后得到生物炭，其中，炭化处理压力、温度和时间均会影响生物炭的各项力学性能，进一步地，所述炭化处理的工艺参数为：压力为2～20MPa，温度为200～500℃，时间为0.5～2h。
更进一步地，炭化处理的工艺参数为：压力为10～20MPa，温度为200～300℃，时间为1～2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明开创性地以稻草、秸秆等农林废弃物为原料，与淀粉混合均匀后，配合使用米糠和蔗糖，科学合理设计配方，在柱塞式挤压炭化装置中进行炭化处理，不但使农林废弃物得到合理的资源化利用，而且本发明提供的方法工艺简单、生产效率高。
采用本发明提供的方法制备得到的生物炭材料具有吸附性能高、活性好和抗压强度优异等特点，利用该生物炭吸附粪便和污水中的有机物等，干燥除臭后，作为有机肥可用于生态有机农业。
本发明在柱塞式挤压炭化装置中进行炭化处理，不但可以对纤维物料进行挤压，还利用加热器对其中的纤维物料进行加热，无需设置燃烧室，加热均匀快速，提高炭化装置的生产能力，对环境无不良影响。
附图说明
图1为本发明实施例1中柱塞式挤压炭化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中柱塞式挤压炭化装置的局部结构示意图；
其中，1为料筒，11为活塞一，12为伸缩缸一，2为炭化筒，21为活塞二，22为伸缩缸二，3为料斗，4为加热器，5为密封阀门，6为驱动装置，61为齿轮一，62为齿轮二，63为驱动电机。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
如图1～2所示，本实施例提供一种用于制备高吸附性能生物炭的柱塞式挤压炭化装置，本实施例提供的炭化装置用于将植物纤维加工成高吸附性能的生物炭材料，炭化装置呈“T”字型，炭化装置包括料筒1和炭化筒2，料筒1和炭化筒2相互连通。
“T”字型的竖向部分为料筒1，料筒上还设有料斗3，料斗用于将物料送入料筒中；料筒内还设有活塞一11，活塞一11上连接有伸缩缸一12，伸缩缸一12用于带动活塞一11沿料筒内壁做往复滑动；伸缩缸一可以为气压缸或液压缸中任意一种，本实施例优选为压力更大的液压缸。
“T”字型的横向部分为炭化筒2，炭化筒2内设有活塞二21，活塞二21上连接有伸缩缸二22，伸缩缸二22用于带动活塞二21沿炭化筒内壁做往复滑动；伸缩缸二也可以为气压缸或液压缸中任意一种，本实施例优选为压力更大的液压缸。
炭化筒外壁上还设置有加热器4，用于加热活塞一11推送至炭化筒中的植物纤维；加热器安装于炭化筒外壁上靠近密封阀门的一端，加热器可以为电阻丝加热、红外加热或电磁加热中任意一种，本实施例中优选为电阻丝加热。
炭化筒远离伸缩缸二的一端还活动连接有密封阀门5，密封阀门上连接有驱动装置6，用于控制密封阀门的开合；驱动装置包括齿轮一61、齿轮二62和驱动电机63；密封阀门在驱动装置带动下自由转动，齿轮一连接于密封阀门上，齿轮一与齿轮二相互啮合，齿轮二与驱动电机共轴，驱动电机用于带动齿轮二转动。
本实施例中驱动装置带动密封阀门的开合原理：驱动电机启动后，带动齿轮二转动，齿轮二通过啮合带动齿轮一转动，齿轮一带动密封阀门转动，从而实现密封阀门的开关。
本实施例提供的炭化装置用于将植物纤维原料加工成生物炭材料，其工作过程如下：首先将密封阀门关闭，然后将混合好的植物纤维等物料从料斗输送至料筒中，然后伸缩缸一启动带动活塞一沿料筒内壁滑动，将植物纤维物料从料筒推进炭化筒中，同时启动伸缩缸二带动活塞二沿炭化筒内壁滑动将植物纤维物料推向炭化筒设置有加热器的一端，并保持压力在2～20MPa，启动加热器，保持温度在200～500℃，0.5～2h后，伸缩缸二卸载压力，启动驱动电机，打开密封阀门，伸缩缸二启动，将炭化后的纤维挤出，即得到本发明的高吸附性能生物炭。
实施例2
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，玉米淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
S1.将植物纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至植物纤维的含水率为2％，待用；
S2.选取步骤S1中得到的植物纤维，然后加入玉米淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中的混合物加入实施例1提供的柱塞式挤压炭化装置中，在压力为5MPa、温度为300℃的条件下炭化处理1h后，即得到高吸附性能的生物炭。
实施例3
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，玉米淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例2的制备方法，区别在于：步骤S3中，炭化处理压力为10MPa。
实施例4
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，玉米淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例2的制备方法，区别在于：步骤S3中，炭化处理压力为20MPa。
实施例5
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，木薯淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg；其中，植物纤维为稻草纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
S1.将植物纤维破碎至长度为3mm，然后进行烘干处理，直至植物纤维的含水率为3％，待用；
S2.选取步骤S1中得到的植物纤维100kg，然后加入玉米淀粉3kg、米糠3kg和蔗糖3kg，混合均匀；
S3.将步骤S2中的混合物加入实施例1提供的柱塞式挤压炭化装置中，在压力为2MPa、温度为300℃的条件下炭化处理1h后，即得到高吸附性能的生物炭。
实施例6
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，木薯淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg；其中，植物纤维为稻草纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例5的制备方法，区别在于：步骤S1中，将稻草纤维破碎至长度为2mm，然后进行烘干处理，直至稻草纤维的含水率为1％，待用；
实施例7
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，木薯淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg；其中，植物纤维为稻草纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例5的制备方法，区别在于：步骤S1中，将稻草纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至稻草纤维的含水率为2％，待用。
实施例8
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，马铃薯淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
S1.将秸秆纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至秸秆纤维的含水率为2％，待用；
S2.选取步骤S1中得到的秸秆纤维，然后加入马铃薯淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中的混合物加入实施例1提供的柱塞式挤压炭化装置中，在压力为15MPa、温度为200℃的条件下炭化处理2h后，即得到高吸附性能的生物炭。
实施例9
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，马铃薯淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例8的制备方法，区别在于：步骤S3中，炭化处理温度为300℃，炭化处理时间为1h。
实施例10
(1)本实施例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，由以下组分制成：
植物纤维100kg，马铃薯淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg；其中，植物纤维为秸秆纤维。
(2)上述生物炭的制备方法包括以下步骤：
参照实施例8的制备方法，区别在于：步骤S3中，炭化处理温度为500℃，炭化处理时间0.5h。
对比例1
本对比例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，与实施例4的不同之处在于，生物炭由以下组分制成：植物纤维100kg，玉米淀粉0.5kg，米糠0.5kg和蔗糖0.5kg。
对比例2
本对比例提供一种柱塞挤压法制备的生物炭，与实施例4的不同之处在于，生物炭由以下组分制成：植物纤维100kg，玉米淀粉3.5kg，米糠3.5kg和蔗糖3.5kg。
对比例3
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S1中，植物纤维的含水率为5％。
对比例4
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S2中，未加入米糠和蔗糖。
对比例5
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S2中，未加入淀粉。
对比例6
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的压力为1MPa。
对比例7
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的压力为25MPa。
对比例8
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的温度为100℃。
对比例9
本对比例参照实施例4的操作步骤，提供一种柱塞挤压法制备生物炭的方法，与实施例4的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的温度为600℃。
对实施例2～10及对比例1～9进行各项性能检测，主要包括密度、静态吸附容量、抗压强度和可生物降解性等性能，具体检测结果见表1。
表1
与对比例1和2比较可知，本发明通过科学合理设计配方，获得各组分的质量份数的较佳比例，在该比例下得到的生物炭静吸附容量可达到45％，抗压强度可达到9.8MPa，吸附能力和力学性能均达到要求。
与对比例3比较可知，本发明将植物纤维的含水率严格控制在3％及以下，避免其在炭化处理过程中产生大量的水蒸气而影响炭化效率和生物炭的力学性能，同时，含水率过高还会影响设备的使用寿命。
与对比例4和5比较可知，本发明以植物纤维为原料，创造性地将其与淀粉混合，并配合使用米糠和蔗糖，通过其协同作用，使得制备得到的生物炭对多种类型物质均具有很好的吸附效果，吸附性能高。
与对比例6～9比较可知，本发明的制备方法在炭化处理过程中，科学合理设计炭化处理的各项工艺参数，炭化处理压力、温度和时间均会影响生物炭的各项性能。当压力过小时，生物炭无法成块，且导致其内部空气多，最终使得生物炭力学性能差，若压力过大时，则生物炭的密度过大，导致其吸附性能下降；而温度和时间需要严格匹配，当温度过高、时间又过长，将造成纤维内部温度不均匀，出现炭化不均匀的现象，当温度过低、时间短时，使得炭化速度慢，而且容易造成炭化夹生的现象。
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)

1.一种柱塞挤压法制备的生物炭，其特征在于，由以下组分制成：植物纤维、蔗糖、米糠和淀粉，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1~3%，所述米糠加入量为植物纤维质量的1~3%，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1~3%，所述植物纤维为禾本科植物纤维。
2.根据权利要求1所述柱塞挤压法制备的生物炭，其特征在于，由以下组分制成：植物纤维、蔗糖、米糠和淀粉，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1~2%，所述米糠加入量为植物纤维质量的1~2%，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1~2%。
3.根据权利要求1或2所述柱塞挤压法制备的生物炭，其特征在于，所述禾本科植物纤维为稻草、秸秆中任意一种。
4.根据权利要求1或2所述柱塞挤压法制备的生物炭，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或小麦淀粉中任意一种。
5.权利要求1~4任一项所述生物炭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.将植物纤维进行预处理，待用；
S2.在步骤S1中得到的植物纤维中加入淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2得到的混合物在一定条件下进行炭化处理后，即得到生物炭；
其中，步骤S3中，所述炭化处理在柱塞式挤压炭化装置中进行。
6.一种实现权利要求5所述制备方法的柱塞式挤压炭化装置，其特征在于，所述柱塞式挤压炭化装置呈“T”字型，所述炭化装置包括炭化筒和料筒，所述“T”字型的横向部分为炭化筒，所述“T”字型的竖向部分为料筒，所述料筒和炭化筒相互连通；
所述料筒上设有料斗，所述料斗用于将物料送入料筒中；所述料筒内还设有活塞一，所述活塞一上连接有伸缩缸一，所述伸缩缸一带动活塞一沿料筒内壁做往复滑动；
所述炭化筒内设有活塞二，所述活塞二上连接有伸缩缸二，所述伸缩缸二用于带动活塞二沿炭化筒内壁做往复滑动；所述炭化筒外壁上还设置有加热器，用于加热活塞一推送至炭化筒中的物料；所述炭化筒远离伸缩缸二的一端还活动连接有密封阀门，所述密封阀门上连接有驱动装置，用于控制密封阀门的开合。
7.根据权利要求5所述生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述预处理为：将植物纤维进行破碎，然后干燥。
8.根据权利要求7所述生物炭的制备方法，其特征在于，所述植物纤维破碎后的长度小于5 mm。
9.根据权利要求7所述生物炭的制备方法，其特征在于，所述干燥方式为烘干，干燥后的植物纤维含水率≤3%。
10.根据权利要求5所述生物炭的制备方法，其特征在于，所述炭化处理的工艺参数为：压力为2~20 MPa，温度为200~500℃，时间为0.5~2 h。
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