CN113801630A - 生物质-矿物质复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
生物质‑矿物质复合材料及其制备方法。本发明公开了一种生物质‑矿物质复合材料，包括：45～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，5～15wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，35～55wt％的低聚木质素盐。本发明还公开了一种生物质‑矿物质复合材料的制备方法。本发明以农林剩余物等生物质和粉煤灰等大宗固废为原料，采用变压粉碎、沸腾水解、结构有机重整工艺制备超微粉状生物质‑矿物质复合材料，具有原料廉价易得、轻质、环境友好、价格低廉，完全无公害降解特点。
Description
技术领域
本发明属于大宗固废制造新型生物质复合材料技术领域，具体涉及一 种生物质-矿物质复合材料及其制备方法。
背景技术
大宗固体废弃物主要包括、粉煤灰、尾矿(共伴生矿)冶炼渣、工业 副产石膏、建筑垃圾、农林剩余物等，量大面广、环境影响突出、利用前 景广阔，是资源综合利用的核心领域。
生物质-无机质复合材料是以无机质(包括水泥、石膏、粉煤灰等)为 主要胶接材料，以生物质(包括农林剩余物、果实皮壳等)纤维为增强材 料，添加一定的化学添加剂，在一定工艺条件下制成的复合材料。这类复 合材料主要用于制作复合材料瓦、平板、内外墙板及砌块等建材，优点主 要是轻质、保温、吸声、环境友好、价格低廉。
生物质-矿物质复合材料是以无机质(粉煤灰、碱矿渣等)、生物质(城 市园林绿化剩余物、农林剩余物、资源作物等)为原料，在一定工艺条件 下，生物质中半纤维素、纤维素、木质素分离解聚，无机质中的矿物元素 离子化并接枝到木质素上，制得新型生物质-无机质复合材料。该型复合材 料除用作建材外，还可代替纸浆、塑料等用于制作包材，代替陶土、木材 等用于制作园艺用品，目前国内外尚属空白，成为各国竞相研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物质-矿物质复合材料及其制备方法，以 农林剩余物等生物质和粉煤灰等大宗固废为原料，具有原料廉价易得、轻 质、环境友好、价格低廉，完全无公害降解特点，可用于建材、包材等行 业，亦可用于制作园艺用品。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
生物质-矿物质复合材料，包括：25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，3～ 6wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，10～55wt％的低聚木质素盐。
进一步，木质纤维素类生物质选用城市园林绿化剩余物、农林剩余物 或者资源作物，矿物质类固废选用粉煤灰、碱矿渣其中的一种或两种。
进一步，成盐的矿物质元素包括：硅、铝、钙、钠、钾、镁、硫、磷 或者铁。
生物质-矿物质复合材料的制备方法，包括：
木质纤维素类生物质和矿物质类固废为原料，原料经变压粉碎工艺生 产生物质粉浆；
生物质粉浆经沸腾水解工艺生产糠醛、低聚纤维素、乙酰丙酸、低聚 木质素和离子化矿物质；
沸腾水解产物经结构有机重整工艺生产生物质-矿物质复合材料。
优选的，原料组成包括：5～40wt％矿物质类固废，60～95wt％木质纤 维素类生物质。
优选的，变压粉碎过程包括：经机械粉碎后的木质纤维素类生物质和 矿物质类固废原料，置入变压反应器，通入过热蒸汽，温度为240～280℃、 压力为2.4～3.1MPa，时间0.5～5分钟，打开阀门，物料爆入沸腾水解反应 器。
优选的，沸腾水解反应器中进行沸腾水解时，温度为160～220℃，压 力为1.4～1.6MPa，时间5～30分钟，沸腾水解反应将木质纤维类生物质中 的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素和乙酰丙酸，木质素转 化为低聚木质素，将矿物质类固废原料中的矿物质转化为离子化矿物质。
优选的，沸腾水解后的物料成分包括：5～36wt％糠醛，2～6wt％乙酰 丙酸，15～65wt％的低聚纤维素，10～55wt％的低聚木质素，5～40wt％ 离子化矿物质，15～60wt％的水。
优选的，结构有机重整反应器中进行结构有机重整时，温度为140～ 180℃，压力为1.1～1.5MPa，时间2～10分钟，反应将糠醛和低聚纤维素 醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸转化为低聚纤维素 乙酰丙酸醚，低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素盐，制成超微粉状 生物质-矿物质复合材料。
优选的，超微粉状生物质-矿物质复合材料成分包括：25～65wt％的低 聚纤维素呋喃醚，3～6wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，10～55wt％的低聚 木质素盐，15～40wt％的水。
本发明技术效果包括：
1、生物质-矿物质复合材料是指以农林剩余物等生物质为原料，采用变 压粉碎、沸腾水解、结构有机重整工艺制备超微粉状生物质-矿物质复合材 料，同时又具有完全无公害降解特点。
2、本发明以农林剩余物等生物质和矿物质类固废为原料，具有原料廉 价易得，过程绿色环保，产品性能优异、成本低等特点，适合规模化工业 生产，用于建筑、包装、园艺等行业。
(1)原料为木质纤维素类生物质(城市园林绿化剩余物、农林剩余物、 资源作物等)和矿物质类固废(粉煤灰、碱矿渣等)，廉价易得，多为废弃 资源，属废物利用。
本发明利用农林剩余物等木质纤维素类生物质和粉煤灰等矿物质类固 废为原料作为生物质-矿物质复合材料的起始原料，农林剩余物和矿物质类 固废，具有原料廉价易得，过程绿色环保的优点。
(2)采用变压粉碎-沸腾水解工艺将半纤维素、纤维素和木质素分别转 化为糠醛、乙酰丙酸、低聚纤维素和低聚木质素，实现木质纤维素类生物 质资源全组分利用。
(3)利用结构有机重整工艺生产生物质-矿物质复合材料，投资少，效 率高，具有过程简捷、工艺简单高效等特点，实现粉煤灰和碱矿渣等固废 资源化再利用，适合快速布置工业化生产。
(4)产品性能优异、成本低等特点，适合规模化工业生产。
生物质-矿物质复合材料除用作建材外，还可代替纸浆、塑料等用于制 作包材，代替陶土、木材等用于制作园艺用品。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员 能够实践和再现。
本发明以木质纤维素类生物质(城市园林绿化剩余物、农林剩余物、 资源作物等)和矿物质类固废(粉煤灰、碱矿渣等)为原料，经变压粉碎、 沸腾水解、结构有机重整工艺生产超微粉状生物质-矿物质复合材料。
生物质-矿物质复合材料的制备方法，以木质纤维素类生物质和矿物质 类固废为原料，原料经变压粉碎、沸腾水解、结构有机重整工艺生产超微 粉状生物质-矿物质复合材料。具体步骤如下：
步骤1：以木质纤维素类生物质和矿物质类固废为原料，原料经变压粉 碎工艺生产生物质粉浆；
原料组成包括：5～40wt％矿物质类固废，60～95wt％木质纤维素类生 物质。木质纤维素类生物质选用城市园林绿化剩余物、农林剩余物、资源 作物等，含水率15～40wt％，矿物质类固废选用粉煤灰、碱矿渣其中的一 种或两种。
经机械粉碎后的木质纤维素类生物质和矿物质类固废原料，置入变压 反应器，通入过热蒸汽，温度为240～280℃、压力为2.4～3.1MPa，时间 0.5～5分钟，打开阀门，物料爆入沸腾水解反应器。
步骤2；生物质粉浆经沸腾水解生产糠醛、低聚纤维素、乙酰丙酸、低 聚木质素和离子化矿物质；
温度为160～220℃，压力为1.4～1.6MPa，时间5～30分钟，沸腾水 解反应将木质纤维类生物质原料中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为 低聚纤维素和乙酰丙酸，木质素转化为低聚木质素；将矿物质类固废原料 中的矿物质转化为离子化矿物质。
沸腾水解产物成分包括：5～36wt％糠醛，2～6wt％乙酰丙酸，15～65 wt％的低聚纤维素，10～55wt％的低聚木质素，5～40wt％离子化矿物质， 15～60wt％的水，将产物送入结构有机重整反应器。
步骤3：沸腾水解产物经结构有机重整生产生物质-矿物质复合材料。
温度为140～180℃，压力为1.1～1.5MPa，时间2～10分钟，反应将 糠醛和低聚纤维素醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸 转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚，低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素 盐，制成生物质-矿物质复合材料；生物质-矿物质复合材料成分包括：25～ 65wt％的低聚纤维素呋喃醚，3～6wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，10～55 wt％的低聚木质素盐，15～40wt％的水。
实施例1：
(1)200kg玉米秸秆(含水率25wt％)粉碎至1cm以下，和15kg粉 煤灰一起送入变压粉碎反应器，通入过热蒸汽，进行变压粉碎，温度为245～ 250℃、压力为2.4～2.5MPa，时间0.5分钟，物料爆破粉碎成由纳米-微米 级颗粒组成的生物质粉浆；
(2)将生物质粉浆送入沸腾水解反应器，温度为180～190℃、压力为 1.4～1.5MPa，时间10～15分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛、纤维素 转化为低聚纤维素和乙酰丙酸、木质素转化为木质素；矿物质类固废原料 中的矿物质转化为离子化矿物质，生成由3wt％的糠醛，3wt％的乙酰丙酸， 24wt％的低聚纤维素，20wt％的低聚木质素，18wt％离子化矿物质，32wt％ 的水组成的沸腾水解产物；
(3)将沸腾水解产物送入结构有机重整装置，温度为140～150℃、压 力为1.1～1.2MPa，时间2～3分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为 低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚， 低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素盐，生成由28wt％的低聚纤维素 呋喃醚，3wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，39wt％的低聚木质素盐，30wt％ 的水组成的生物质-矿物质复合材料。
实施例2：
(1)200kg毛竹(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，和10kg粉煤灰、 10kg碱矿渣粉末一起送入变压粉碎反应器，通入过热蒸汽，进行变压粉碎， 温度为260～270℃、压力为3.0～3.1MPa，时间2.5分钟，物料爆破粉碎 成由纳米-微米级颗粒组成的生物质粉浆；
(2)将生物质粉浆送入沸腾水解反应器，温度为200～210℃、压力为 1.5～1.6MPa，时间20～25分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛、纤维素 转化为低聚纤维素和乙酰丙酸、木质素转化为木质素；矿物质类固废原料 中的矿物质转化为离子化矿物质，生成由3wt％的糠醛，4wt％的乙酰丙酸， 26wt％的低聚纤维素，15wt％的低聚木质素，22wt％离子化矿物质，30wt％ 的水组成的沸腾水解产物；
(3)将沸腾水解产物送入结构有机重整装置，温度为140～150℃、压 力为1.3～1.4MPa，时间5～7分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为 低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚， 低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素盐，生成由28wt％的低聚纤维素 呋喃醚，3wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，39wt％的低聚木质素盐，30wt％ 的水组成的生物质-矿物质复合材料。
实施例3：
(1)200kg树木剪枝(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，和15kg碱 矿渣粉一起送入变压粉碎反应器，通入过热蒸汽，进行变压粉碎，温度为 240～245℃、压力为2.5～2.6MPa，时间1分钟，物料爆破粉碎成由纳米- 微米级颗粒组成的生物质粉浆；
(2)将生物质粉浆送入沸腾水解反应器，温度为190～200℃、压力为 1.5～1.6MPa，时间20～25分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛、纤维素 转化为低聚纤维素和乙酰丙酸、木质素转化为木质素；矿物质类固废原料 中的矿物质转化为离子化矿物质，生成由4wt％的糠醛，5wt％的乙酰丙酸， 28wt％的低聚纤维素，16wt％的低聚木质素，12wt％离子化矿物质，35wt％ 的水组成的沸腾水解产物；
(3)将沸腾水解产物送入结构有机重整装置，温度为140～150℃、压 力为1.1～1.2MPa，时间2～3分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为 低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚， 低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素盐，生成由35wt％的低聚纤维素 呋喃醚，5wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，25wt％的低聚木质素盐，35wt％ 的水组成的生物质-矿物质复合材料。
实施例4：
(1)200kg园林绿化废弃枝条(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，和 10kg粉煤灰、15kg碱矿渣粉末一起送入变压粉碎反应器，通入过热蒸汽， 进行变压粉碎，温度为260～270℃、压力为2.7～2.8MPa，时间2分钟， 物料爆破粉碎成由纳米-微米级颗粒组成的生物质粉浆；
(2)将生物质粉浆送入沸腾水解反应器，温度为160～170℃、压力为 1.4～1.5MPa，时间15～40分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛、纤维素 转化为低聚纤维素和乙酰丙酸、木质素转化为木质素，送入结构有机重整 装置，温度为145～155℃、压力为1.2～1.3MPa，时间3～5分钟，反应将 糠醛和低聚纤维素醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸 转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚，低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素 盐，生成由22wt％的低聚纤维素呋喃醚，3wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚， 45wt％的低聚木质素盐，30wt％的水组成的生物质-矿物质复合材料。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明 能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解， 上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和 范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型 都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.生物质-矿物质复合材料，其特征在于，包括：25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，3～6wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，10～55wt％的低聚木质素盐。
2.如权利要求1所述的生物质-矿物质复合材料，其特征在于，木质纤维素类生物质选用城市园林绿化剩余物、农林剩余物或者资源作物，矿物质类固废选用粉煤灰、碱矿渣其中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的低聚木质素盐，其特征在于，成盐的矿物质元素包括：硅、铝、钙、钠、钾、镁、硫、磷或者铁。
4.生物质-矿物质复合材料的制备方法，包括：
木质纤维素类生物质和矿物质类固废为原料，原料经变压粉碎工艺生产生物质粉浆；
生物质粉浆经沸腾水解工艺生产糠醛、低聚纤维素、乙酰丙酸、低聚木质素和离子化矿物质；
沸腾水解产物经结构有机重整工艺生产生物质-矿物质复合材料。
5.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，原料组成包括：5～40wt％矿物质类固废，60～95wt％木质纤维素类生物质。
6.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，变压粉碎过程包括：经机械粉碎后的木质纤维素类生物质和矿物质类固废原料，置入变压反应器，通入过热蒸汽，温度为240～280℃、压力为2.4～3.1MPa，时间0.5～5分钟，打开阀门，物料爆入沸腾水解反应器。
7.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，沸腾水解反应器中进行沸腾水解时，温度为160～220℃，压力为1.4～1.6MPa，时间5～30分钟，沸腾水解反应将木质纤维类生物质中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素和乙酰丙酸，木质素转化为低聚木质素，将矿物质类固废原料中的矿物质转化为离子化矿物质。
8.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，沸腾水解后的物料成分包括：5～36wt％糠醛，2～6wt％乙酰丙酸，15～65wt％的低聚纤维素，10～55wt％的低聚木质素，5～40wt％离子化矿物质，15～60wt％的水。
9.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，结构有机重整反应器中进行结构有机重整时，温度为140～180℃，压力为1.1～1.5MPa，时间2～10分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚纤维素和乙酰丙酸转化为低聚纤维素乙酰丙酸醚，低聚木质素和离子化矿物质转化为木质素盐，制成超微粉状生物质-矿物质复合材料。
10.如权利要求4所述的生物质-矿物质复合材料的制备方法，其特征在于，超微粉状生物质-矿物质复合材料成分包括：25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，3～6wt％的低聚纤维素乙酰丙酸醚，10～55wt％的低聚木质素盐，15～40wt％的水。
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