CN112136643B - 一种夹芯多孔屋顶基质块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种夹芯多孔屋顶基质块及其制备方法。将农作物秸秆全株粉碎过筛后均匀铺撒于坩埚底层。另取秸秆粉末，与铝、硅铁、硝酸钾、硝酸钠和氟化钠按照不同比例均匀混合，并将所得不同混合粉末依照顺序逐层置于坩埚内已有粉末之上。随后将镁粉均匀铺撒于坩埚内的粉末表层，使之将坩埚内的粉末完全覆盖。再将装有粉末的坩埚置于另一更大坩埚中，在大小坩埚之间填充细河沙，引燃小坩埚中的镁粉，待坩埚内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，即得到夹芯多孔屋顶基质块。本发明原料廉价、易得、可再生；生产投入小、能耗低、效率高；操作简单、可复制性好；所得夹芯多孔屋顶基质块比重小、成型能力强，富含养分，具有良好的吸水保水性，极具推广价值。

Description

一种夹芯多孔屋顶基质块及其制备方法
技术领域
本发明属于农业废弃物增值化利用领域，涉及一种种植基质的制备方法，具体涉及一种夹芯多孔屋顶基质块及其制备方法。
背景技术
屋顶基质主要用于绿色屋顶的植被种植，进而实现改善空气质量、调节热岛效应、净化雨水等城市生态功能，应具有比重小、性质稳定、孔隙度高、吸水保水性好等优点。根据选材不同，屋顶基质分为有机基质、无机基质和复合基质三类。其中有机基质，如天然泥炭、秸秆、木屑、树枝叶、谷壳等，含有丰富的腐殖质，具有较好的保水性和保肥性，但成型能力较差，且通常含有有害物质和虫卵。无机基质，如天然矿砂、黏土、火山岩、珍珠岩、蛭、麦饭石等，具有较高的孔隙率，比重小，保水、排水性能优异，但养分含量过低。复合基质则是将有机基质和无机基质相结合，使之既具有有机基质的丰富养分，又具有无机基质的高孔隙和低比重，因而应用最为广泛。
已公开的复合基质主要有堆叠型和掺混型两类。其中堆叠型复合基质是根据不同功能需求将不同有机基质和无机基质按照一定顺序逐层堆叠而成。这类基质通常会在施工现场进行堆叠组装，工程量大且工期长，因而实施效率低、成本高。而掺混型复合基质则是根据不同植被的种植需求，按照特定配比将不同类型的有机基质和无机基质机械掺混而成。这类基质成型能力较差，不利于大批量运输、吊装。同时，不同批次产品中营养物质含量变化较大，品质稳定性较差。为解决上述不足，需要提供一种新的比重小、成型性好、品质可控的多孔屋顶基质块，并研发与之配套的低成本、高效、大批量制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有屋顶基质及其制备技术的不足，提供了一种简单高效、节能环保的夹芯多孔屋顶基质块低成本制备方法。
本发明提供一种夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，通过如下步骤实现：
一种夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、将农作物秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得秸秆粉末；
步骤(2)、将步骤(1)所得秸秆粉末均匀铺撒在石墨坩埚底层，形成垫底层；
步骤(3)、在步骤(2)的垫底层之上依次铺三层混合粉末，每层混合粉末均由秸秆粉末、铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉混合均匀组成，其中，中间层混合粉末的秸秆含量大于上下两层混合粉末中秸秆的含量，形成中间有机质多的夹芯结构；
步骤(4)、将镁粉均匀铺撒在步骤(3)最顶层的混合粉末表面，使得镁粉完全覆盖所述混合粉末；
步骤(5)、将步骤(4)中铺好所有粉末的石墨坩埚置于另一更大的陶瓷坩埚内，并用细河沙填充石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚内壁间的间隙，使石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚之间被河沙隔开；
步骤(6)，引燃步骤(5)所述镁粉，待石墨坩埚内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，即可从石墨坩埚内获得与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。
优选的，步骤(1)中获得的所述秸秆粉末为50-100目大小的秸秆粉末。
优选的，步骤(3)中，所述铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉均为100-200目大小的粉末。
优选的，步骤(3)中，顶层和底层混合粉末的各组分比例相同，按照质量分数计为：秸秆40份、铝45-54份、硅铁12-28份、硝酸钾100-109份、硝酸钠78-85份、氟化钠2-4份。
优选的，步骤(3)中，中间层混合粉末的各组分比例按照质量分数计为：秸秆87份、铝45-54份、硅铁12-28份、硝酸钾100-109份、硝酸钠78-85份、氟化钠2-4份。
优选的，步骤(4)中，所述镁粉的目数大小为100-200目。
优选的，步骤(5)中，所述细河沙的目数大小为20-40目。
优选的，所述硅铁粉的牌号为FeSi90Al1.5。
优选的，所述陶瓷坩埚的内径为石墨坩埚外径的2倍。
优选的，所述石墨坩埚内从下至上，垫底层的秸秆粉末、底层混合粉末、中间层混合粉末、顶层混合粉末和最顶部的镁粉按照质量比为1：20：20：20：1。
优选的，所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆或油菜秸秆。
一种夹芯多孔屋顶基质块，其特征在于：采用权利要求1-9任意一项所述制备方法制备。
优选的，所得夹芯多孔屋顶基质块的密度在0.68到1.06g/m3之间，孔隙直径在20nm到252nm之间，净吸水量在自重的1.09-1.26倍之间。
本发明原理为：当步骤(4)所述镁粉被引燃后，燃烧波以被引燃区域中心向四周和下方蔓延，使得秸秆粉末随之燃烧，生成大量碳氧化物气体。同时，铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉和硝酸钠粉受热发生剧烈氧化还原反应，生成铝硅酸盐并释放大量热量和氮氧化物气体。碳氧化物气体和氮氧化物气体一经生成便向上逸出，对整个燃烧体系形成托举、搅拌效应。未来得及反应的秸秆粉末、秸秆不完全燃烧形成的秸秆生物炭以及熔融的铝硅酸盐被充分混合，并在充斥气泡的环境中缓慢冷却，最终形成与石墨坩埚内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。所涉及的主要化学反应为：
4Al+Si+6KNO3＝K2SiO3+4KAlO2+5NO+NO2
4Al+Si+6NaNO3＝Na2SiO3+4NaAlO2+5NO+NO2
石墨坩埚内表层的镁粉有助燃和导热的作用。一方面，镁粉燃烧释放大量热量，有助于镁粉下方混合粉末的引燃。另一方面，镁粉燃烧迅速且导热相对较快，能够使镁粉下方混合粉末尽可能的被同时引燃。
石墨坩埚内三层混合粉末的差异在于秸秆含量不同。底层和顶层混合粉末中秸秆含量相对较少，产物以碳氧化物气体和不完全燃烧形成的生物炭为主，主要用于造气造孔和调整基质成分。中间层混合粉末中秸秆含量相对较多，产物除碳氧化物气体和不完全燃烧形成的生物炭外，还含有未来得及燃烧的秸秆粉末，主要用于给基质补充有机质以提升其养分含量。中间层秸秆含量相对较多的夹芯层结构，能够使反应中未来得及燃烧的秸秆粉末被充分包裹于多孔基质内，使其养分能够长期存储并缓慢释放。
混合粉末中氟化钠用作造渣剂，促进产物中铝硅酸盐的熔融和成型。
事先在石墨坩埚底部均匀铺撒秸秆粉末是为了在多孔基质块和石墨坩埚之间形成隔离层，以避免基质块底部和石墨坩埚粘连而难以取出。
将石墨坩埚置于更大的陶瓷坩埚内并在石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚内壁间的间隙中填充细河沙的目的在于减缓石墨坩埚的散热速率，使得反应结束后多孔基质块能够缓慢冷却，进而减小热应力，避免微裂纹产生，从而提升基质块的强度。
本发明所涉方法的主要优点和有益效果在于：
原料廉价、易得、可再生；生产投入小、能耗低、效率高；操作简单、可复制性好；能够按照种植需求设计基质块的形状。制得的夹芯多孔屋顶基质块比重小、成型能力强，富含养分，具有良好的吸水保水性。
附图说明
图1是本发明的制备方法所采用的装置图；
图2是本发明实施例3所得夹芯多孔屋顶基质块断面的扫描电子显微镜照片。
附图标记：1-石墨坩埚，2-陶瓷坩埚，3-细河沙，4-镁粉，5-第一混合粉末，6-第二混合粉末，7-秸秆粉末。
具体实施方式
通过以下实施例的说明将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1
首先，将水稻秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得50目大小的秸秆粉末，并将之均匀铺撒在石墨坩埚1底层。另取秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照40：45：12：100：78：2的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的秸秆粉末7之上。再次另取秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照87：45：12：100：78：2的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第二混合粉末6，并将其放入石墨坩埚1中的第一混合粉末5之上。再次配置第一混合粉末5，并将质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5放入石墨坩埚1中的第二混合粉末6之上。最后在石墨坩埚1中粉末表层均匀铺撒一层和秸秆粉末7质量相同的100目大小的镁粉4。在陶瓷坩埚2中放入20目大小的细河沙后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被细河沙3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被细河沙3充分包裹。引燃镁粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。对所得夹芯多孔屋顶基质块进行密度测试、SEM观察和吸水性分析，结果表明：所得夹芯多孔屋顶基质块的密度为0.68g/m3，孔隙直径在35nm到247nm之间，净吸水量为自重的1.24倍。
实施例2
首先，将玉米秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得100目大小的秸秆粉末，并将之均匀铺撒在石墨坩埚1底层。另取秸秆粉末、200目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照40：54：28：109：85：4的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的秸秆粉末7之上。再次另取秸秆粉末、200目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照87：54：28：109：85：4的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第二混合粉末6，并将其放入石墨坩埚1中的第一混合粉末5之上。再次配置第一混合粉末5，并将质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5放入石墨坩埚1中的第二混合粉末6之上。最后在石墨坩埚1中粉末表层均匀铺撒一层和秸秆粉末7质量相同的200目大小的镁粉4。在陶瓷坩埚2中放入40目大小的细河沙后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被细河沙3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被细河沙3充分包裹。引燃镁粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。对所得夹芯多孔屋顶基质块进行密度测试、SEM观察和吸水性分析，结果表明：所得夹芯多孔屋顶基质块的密度为1.01g/m3，孔隙直径在21nm到249nm之间，净吸水量为自重的1.26倍。
实施例3
首先，将小麦秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得80目大小的秸秆粉末，并将之均匀铺撒在石墨坩埚1底层。另取秸秆粉末、150目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照40：50：20：105：82：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的秸秆粉末7之上。再次另取秸秆粉末、150目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照87：50：20：105：82：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第二混合粉末6，并将其放入石墨坩埚1中的第一混合粉末5之上。再次配置第一混合粉末5，并将质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5放入石墨坩埚1中的第二混合粉末6之上。最后在石墨坩埚1中粉末表层均匀铺撒一层和秸秆粉末7质量相同的150目大小的镁粉4。在陶瓷坩埚2中放入30目大小的细河沙后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被细河沙3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被细河沙3充分包裹。引燃镁粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。对所得夹芯多孔屋顶基质块进行密度测试、SEM观察和吸水性分析，结果表明：所得夹芯多孔屋顶基质块的密度为0.99g/m3，孔隙直径在20nm到252nm之间，净吸水量为自重的1.15倍。
实施例4
首先，将棉花秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得50目大小的秸秆粉末，并将之均匀铺撒在石墨坩埚1底层。另取秸秆粉末、200目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照40：45：12：109：85：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的秸秆粉末7之上。再次另取秸秆粉末、200目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照87：45：12：109：85：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第二混合粉末6，并将其放入石墨坩埚1中的第一混合粉末5之上。再次配置第一混合粉末5，并将质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5放入石墨坩埚1中的第二混合粉末6之上。最后在石墨坩埚1中粉末表层均匀铺撒一层和秸秆粉末7质量相同的200目大小的镁粉4。在陶瓷坩埚2中放入40目大小的细河沙后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被细河沙3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被细河沙3充分包裹。引燃镁粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。对所得夹芯多孔屋顶基质块进行密度测试、SEM观察和吸水性分析，结果表明：所得夹芯多孔屋顶基质块的密度为1.06g/m3，孔隙直径在37nm到223nm之间，净吸水量为自重的1.12倍。
实施例5
首先，将油菜秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得100目大小的秸秆粉末，并将之均匀铺撒在石墨坩埚1底层。另取秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照40：54：28：100：78：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的秸秆粉末7之上。再次另取秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉按照87：54：28：100：78：3的质量比均匀混合后，得到质量为秸秆粉末7的20倍的第二混合粉末6，并将其放入石墨坩埚1中的第一混合粉末5之上。再次配置第一混合粉末5，并将质量为秸秆粉末7的20倍的第一混合粉末5放入石墨坩埚1中的第二混合粉末6之上。最后在石墨坩埚1中粉末表层均匀铺撒一层和秸秆粉末7质量相同的100目大小的镁粉4。在陶瓷坩埚2中放入20目大小的细河沙后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被细河沙3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被细河沙3充分包裹。引燃镁粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。对所得夹芯多孔屋顶基质块进行密度测试、SEM观察和吸水性分析，结果表明：所得夹芯多孔屋顶基质块的密度为0.79g/m3，孔隙直径在32nm到235nm之间，净吸水量为自重的1.09倍。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、将农作物秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得秸秆粉末；
步骤(2)、将步骤(1)所得秸秆粉末均匀铺撒在石墨坩埚底层，形成垫底层；
步骤(3)、在步骤(2)的垫底层之上依次铺三层混合粉末，每层混合粉末均由秸秆粉末、铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉混合均匀组成，其中，中间层混合粉末的秸秆含量大于上下两层混合粉末中秸秆的含量，形成中间有机质多的夹芯结构；
步骤(4)、将镁粉均匀铺撒在步骤(3)最顶层的混合粉末表面，使得镁粉完全覆盖所述混合粉末；
步骤(5)、将步骤(4)中铺好所有粉末的石墨坩埚置于另一更大的陶瓷坩埚内，并用细河沙填充石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚内壁间的间隙，使石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚之间被河沙隔开；
步骤(6)，引燃步骤(5)所述镁粉，待石墨坩埚内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，即可从石墨坩埚内获得与之内腔造型相同的夹芯多孔屋顶基质块。
2.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(1)中获得的所述秸秆粉末为50-100目大小的秸秆粉末。
3.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和氟化钠粉均为100-200目大小的粉末。
4.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，顶层和底层混合粉末的各组分比例相同，按照质量分数计为：秸秆40份、铝45-54份、硅铁12-28份、硝酸钾100-109份、硝酸钠78-85份、氟化钠2-4份。
5.如权利要求4所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，中间层混合粉末的各组分比例按照质量分数计为：秸秆87份、铝45-54份、硅铁12-28份、硝酸钾100-109份、硝酸钠78-85份、氟化钠2-4份。
6.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述镁粉的目数大小为100-200目。
7.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述细河沙的目数大小为20-40目。
8.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：所述石墨坩埚内从下至上，垫底层的秸秆粉末、底层混合粉末、中间层混合粉末、顶层混合粉末和最顶部的镁粉按照质量比为1：20：20：20：1。
9.如权利要求1所述的夹芯多孔屋顶基质块的制备方法，其特征在于：所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆或油菜秸秆。
10.一种夹芯多孔屋顶基质块，其特征在于：采用权利要求1-9任意一项所述制备方法制备，所得夹芯多孔屋顶基质块的密度在0.68到1.06g/m3之间，孔隙直径在20nm到252nm之间，净吸水量在自重的1.09-1.26倍之间。
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