CN113956893B - 一种生物质炭棒的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生物质炭棒的制备方法与应用，包括以下质量份的原料混合制成：水稻秸秆生物炭30‑35份、玉米秸秆生物炭30‑35份、复合硅酸盐水泥25‑30份，将生物质炭棒应用在回收水中营养物质的装置中，用于吸附NH4 +和PO4 2‑等离子和其他有机物；本发明生物质炭棒机械强度高，解决了村镇农业农田用水灌溉后水质氮磷含量过高导致河道下游富营养化的问题，回收农田水稻退水中N、P后，适用但不限于渔业、种植业。
Description
技术领域
本发明涉及农村农业技术领域，尤其涉及一种生物质炭棒及其制备方法与应用。
背景技术
生物炭是生物质通过高温热解获得，通过高温热解后拥有高孔隙率，具有以下优势：①具有良好的机械强度，耐废水冲刷；②渗透性能好，且不易产生堵塞现象；③有利于微生物和植物生长。
农田灌溉用水通常由周边河道引入农田，经过农田后再汇入河道，这会导致河道下游的湖泊水质富营养化，使得水中浮游生物大量繁殖，溶解氧下降，鱼类无法生存，水质恶化。根据《2019 年城市建设统计年鉴》中统计的村镇部分的数据，全国建制镇的污水处理装置处理能力仅为 1874.88万立方米/日，污水处理率仅为54.43％。水质富营养化的主要成因为水体N、P含量过高，如果这部分N、P可以回收，利用到渔业养殖或肥料生产当中，既可以减少N、P在下游的汇集，为湖泊水质富营养化治理减轻压力，还可以使得渔业和农业增产。
常规生物炭作为吸附剂使用时，其材料均是生物炭，这样材料的孔隙率不足，机械强度较差，影响使用效果。
发明内容
本发明提供一种生物质炭棒的制备方法与应用，旨在开发新的生物质碳棒，解决农业灌溉用水导致河道下游水质富营养化的问题。
一种生物质炭棒的制备方法，包括以下质量份的原料混合制成：水稻秸秆生物炭30-35份、玉米秸秆生物炭30-35份、复合硅酸盐水泥25-30份，具体步骤如下：
(1)水稻秸秆生物炭的制备：将水稻秸秆料洗净后放入60-80℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以300-400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到水稻秸秆生物炭；
(2)玉米秸秆生物炭的制备：将玉米秸秆洗净后放入60-80℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以300-400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到玉米秸秆生物炭；
(3)混合：将水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、硅酸盐水泥按比例加水混合，得混合料；
(4)成型：将步骤(3)制得的混合料放入模具，凝固后取出，得到胚体；
(5)烘干：将步骤(4)制得的胚体于60-80℃烘干后冷却，得到生物质炭棒。
本发明还提供所述生物质炭棒的应用，将生物质炭棒应用在回收水中营养物质的装置中，用于吸附NH4 +和PO4 2-等离子和其他有机物。
所述用于回收水中营养物质的装置，包括生物质炭棒过滤模块、沙石过滤模块；所述生物质炭棒过滤模块包括固定箱1、生物质炭棒2；所述沙石过滤模块包括石笼网5、砾石6；所述固定箱1是对称侧面开口的箱体，多根生物质炭棒2横向均匀设置在固定箱1内，石笼网5 内装有砾石6，固定箱1开口的一侧连接石笼网5，所述生物质炭棒2上设置多个环形凹槽，增大吸附面积。
所述生物质炭棒2为长方体结构，固定箱1侧面对称设置多个长方形卡槽4，生物质炭棒 2两端插入卡槽4内；或将固定箱1侧面的卡槽4替换为滚珠轴承，滚珠轴承中心为空心六棱柱，生物质炭棒2中段为长方体，两端为六棱柱，两端伸入滚珠轴承中心，在滚珠轴承与地面连线夹角为10°和20°的位置分别设置限位钉。
所述固定箱1底部设置两个以上的地钉3。
所述固定箱1与石笼网5通过一个以上的卡扣连接，卡扣包括卡扣组件Ⅰ7、卡扣组件Ⅱ8，卡扣组件Ⅰ7为“L”型结构，卡扣组件Ⅱ8为“7”字型结构，“L”型结构与“7”字型结构相配合；卡扣组件Ⅰ7设置在与石笼网5连接的一侧的固定箱1箱体壁上，卡扣组件Ⅱ8设置在与固定箱1 连接的石笼网5一侧；生物质炭棒过滤层与沙石过滤层由卡扣连接而成，也可以通过解开卡扣，达到拆卸回收以及替换的目的。
所述固定箱1顶部设置把手和反光条，把手用于移动装置，把手上还可以栓绳，用于防止装置丢失和进行牵引；反光条便于搜寻。
本发明装置在使用时，通过固定箱底部固定的地钉插入到灌溉渠的水底，同一条灌溉渠可以使用单个或多个，用于回收农田水稻退水中营养物质的装置，7天左右可能达到吸附饱和，从灌溉渠中取出回收的装置处理后可用于为人工饲养渔业提供营养物质。
本发明的有益效果是：本发明能很好的吸附灌溉渠水体中的营养物质，防止农田灌溉用水经过农田后再汇入河道导致河道下游的水质富营养化，同时还不会影响灌溉渠水体的流动，方便回收处理再利用。
附图说明
图1是装置的结构示意图；
图2是装置侧视图及局部放大图；
图3为生物质炭棒的结构示意图；
图中，1-固定箱、2-生物质炭棒、3-地钉、4-卡槽、5-石笼网、6-砾石、7-卡扣组件Ⅰ、8-卡扣组件Ⅱ。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中使用的复合硅酸盐水泥为常规市购产品，其标号包括但不限于P.C32.5、P.C42.5或P.C52.5等。
实施例1
一种生物质炭棒的制备方法，具体步骤如下：
(1)水稻秸秆生物炭的制备：将水稻秸秆洗净后放入60℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以350℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到水稻秸秆生物炭备用；
(2)玉米秸秆生物炭的制备：将玉米秸秆洗净后放入60℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以350℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到玉米秸秆生物炭备用；
(3)混合：将水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、硅酸盐水泥按比例加水搅拌混匀，得混合料；其中水稻秸秆生物炭32质量份、玉米秸秆生物炭32质量份、复合硅酸盐水泥28质量份，加水少许，约20质量份，将物料混匀成浆料；
(4)成型：将步骤(3)制得的混合料放入模具，凝固后取出，得到胚体；
(5)烘干：将步骤(4)制得的胚体于60℃烘干后冷却，得到生物质炭棒。
实施例2
一种生物质炭棒的制备方法，具体步骤如下：
(1)水稻秸秆生物炭的制备：将水稻秸秆洗净后放入80℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到水稻秸秆生物炭备用；
(2)玉米秸秆生物炭的制备：将玉米秸秆洗净后放入80℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到玉米秸秆生物炭备用；
(3)混合：将水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、硅酸盐水泥按比例加水搅拌混匀，得混合料，其中水稻秸秆生物炭30质量份、玉米秸秆生物炭35质量份、复合硅酸盐水泥30质量份，加水少许，约20质量份，将物料混匀成浆料；
(4)成型：将步骤(3)制得的混合料放入模具，凝固后取出，得到胚体；
(5)烘干：将步骤(4)制得的胚体于80℃烘干后冷却，得到生物质炭棒。
实施例3
一种生物质炭棒的制备方法，具体步骤如下：
(1)水稻秸秆生物炭的制备：将水稻秸秆洗净后放入70℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以300℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到水稻秸秆生物炭备用；
(2)玉米秸秆生物炭的制备：将玉米秸秆洗净后放入70℃的烘箱24h，使用粉碎机获得粒径为<20目的原料，以300℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到玉米秸秆生物炭备用；
(3)混合：将水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、硅酸盐水泥按比例加水搅拌混匀，得混合料，其中水稻秸秆生物炭35质量份、玉米秸秆生物炭30质量份、复合硅酸盐水泥25质量份，加水少许，约15质量份，将物料混匀成浆料；
(4)成型：将步骤(3)制得的混合料放入模具，凝固后取出，得到胚体；
(5)烘干：将步骤(4)制得的胚体于70℃烘干后冷却，得到生物质炭棒。
实施例4
将实施例1制备得到的生物质炭棒加工成长方体，且每隔一段距离加工一个环形凹槽，以增大吸附面积，将加工后的生物质炭棒用于回收农田水稻退水中营养物质的装置，如图1、2 所示，装置包括生物质炭棒过滤模块、沙石过滤模块；生物质炭棒过滤模块包括固定箱1、生物质炭棒2；沙石过滤模块包括石笼网5、砾石6；固定箱1是对称侧面开口的箱体，多根生物质炭棒2横向均匀设置在固定箱1内，石笼网5内装有砾石6，固定箱1开口的一侧连接石笼网5，生物质炭棒2为长方体结构，固定箱1侧面对称设置多个长方形卡槽4，生物质炭棒 2两端插入卡槽4内；固定箱1底部设置四个地钉3，固定箱1与石笼网5通过三个卡扣连接，卡扣包括卡扣组件Ⅰ7、卡扣组件Ⅱ8，卡扣组件Ⅰ7为“L”型结构，卡扣组件Ⅱ8为“7”字型结构，“L”型结构与“7”字型结构相配合；卡扣组件Ⅰ7设置在固定箱1与石笼网5连接的一侧的箱体壁上，卡扣组件Ⅱ8设置在石笼网5上与固定箱1连接的一侧；生物质炭棒过滤层与沙石过滤层由卡扣连接而成，也可以通过解开卡扣，达到拆卸回收以及替换的目的，固定箱1顶部设置把手和反光条，把手用于移动装置，把手上还可以栓绳，用于防止装置丢失和进行牵引，反光条便于搜寻装置，固定箱1为长50cm、宽6cm、高30cm的铝合金固定箱，铝合金的密度为2.63-2.85g/cm，强度σb为110-650MPa；石笼网为长50cm、宽6cm、高30cm的铁丝网，网的孔径为10mm*10mm，砾石的平均粒径为16mm-25mm；生物质炭棒2总长度为7cm，每隔1cm加工一个环形凹槽，凹槽深度为0.5cm。
本实施例装置的使用方法，具体步骤如下：
(1)将生物质炭棒2横向放入固定箱1中；将生物质炭棒过滤模块与沙石过滤模块由固定箱1上的卡扣组件Ⅰ7与石笼网7上的卡扣组件Ⅱ8连接组合；
(2)将装置放置在渠道中，地钉3插入渠道底部，固定箱1的开口侧面向水流方向，水从固定箱1开口的一侧进入固定箱1，固定箱1内的生物质炭棒2对水中的物质进行吸附，水流经过固定箱1之后进入石笼网5，石笼网5内的砾石6对水中的物质进行进一步吸附之后，水流出装置，7天左右可能达到吸附饱和，从灌溉渠中取出回收的装置，通过适当的处理后又可用于为人工饲养渔业提供营养物质。
实施例5
将实施例4装置中固定箱1侧面的卡槽4替换为滚珠轴承，滚珠轴承中心为空心六棱柱，生物质炭棒2中段为长方体，两端为六棱柱，两端伸入滚珠轴承中心，在滚珠轴承与地面连线夹角为10°和20°的位置分别设置限位钉生物质炭棒2中段为长方体，两端为六棱柱，两端伸入滚珠轴承中心，在滚珠轴承与地面连线夹角为10°和20°的位置分别设置限位钉，限位钉限制生物质炭棒2只能在范围10°-20°内转动；如图3所示，生物质炭棒2总长度为7cm，两端六棱柱的长度分别是1cm，中段长方体的长度为5cm，每隔0.5cm加工一个环形凹槽，凹槽深度为0.3cm，装置其他部件及连接关系与实施例3相同。
本实施例装置使用时与实施例4相同，不同点在于本实施例长方体生物质炭棒2在外力的作用下可以转动，丰水期时，灌溉渠干渠流速可达到3m3/s，生物质炭棒2转动至与地面平行的夹角为10°，从而减少水流冲刷导致已经被吸附的NH4 +和PO4 2-等离子脱附；枯水期时，灌溉渠干渠流速小于1m3/s，生物质炭棒2转动至与地面平行的夹角为20°，使得与水流的接触面积增大，从而提升吸附能力。
生物质炭棒较常规吸附材料的吸附效果更好，生物质炭棒对溶液中NH4 +的平衡吸附量为 2.44±0.15mg/g；对溶液中PO4 2-的平衡吸附量为2.91±0.12mg/g，用10L水对一根生物质炭棒进行解吸附，对NH4 +的解吸量为1.32±0.03；对PO4 2-的解吸量0.914±0.19mg/g。
Claims (5)
1.一种生物质炭棒的应用，其特征在于，所述生物质炭棒包括以下质量份的原料：水稻秸秆生物炭30-35份、玉米秸秆生物炭30-35份、复合硅酸盐水泥25-30份；
将所述生物质炭棒应用在回收水中营养物质的装置中，用于吸附NH4 +、PO4 3-离子；所述回收水中营养物质的装置包括生物质炭棒过滤模块、沙石过滤模块；所述生物质炭棒过滤模块包括固定箱(1)、生物质炭棒(2)；所述沙石过滤模块包括石笼网(5)、砾石(6)；所述固定箱(1)是对称侧面开口的箱体，多根生物质炭棒(2)横向均匀设置在固定箱(1)内，石笼网(5)内装有砾石(6)，固定箱(1)开口的一侧连接石笼网(5)，生物质炭棒(2)上设置多个环形凹槽；
固定箱(1)侧面对称设置多个滚珠轴承，滚珠轴承中心为空心六棱柱，生物质炭棒(2)中段为长方体，两端为六棱柱，两端伸入滚珠轴承中心，在滚珠轴承与地面连线夹角为10°和20°的位置分别设置限位钉，限位钉限制生物质炭棒（2）只能在范围10 °-20 °内转动。
2.根据权利要求1所述的生物质炭棒的应用，其特征在于，固定箱(1)底部设置两个以上的地钉(3)。
3.根据权利要求1所述的生物质炭棒的应用，其特征在于，固定箱(1)与石笼网(5)通过一个以上的卡扣连接，卡扣包括卡扣组件Ⅰ(7)、卡扣组件Ⅱ(8)，卡扣组件Ⅰ(7)为“L”型结构，卡扣组件Ⅱ(8)为“7”字型结构，“L”型结构与“7”字型结构相配合；卡扣组件Ⅰ(7)设置在与石笼网(5)连接的一侧的固定箱(1)箱体壁上，卡扣组件Ⅱ(8)设置在与固定箱（1）连接的石笼网(5)一侧。
4.根据权利要求1所述的生物质炭棒的应用，其特征在于，固定箱(1)顶部设置把手和反光条。
5.根据权利要求1所述的生物质炭棒的应用，其特征在于，制备所述生物质炭棒的具体步骤如下：
（1）水稻秸秆生物炭的制备：将水稻秸秆洗净后60-80℃干燥24h，粉碎获得粒径<20目的原料，300-400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到水稻秸秆生物炭；
（2）玉米秸秆生物炭的制备：将玉米秸秆洗净后60-80℃干燥24h，粉碎获得粒径<20目的原料，300-400℃通氮气炭化4h后，取出过50目筛，得到玉米秸秆生物炭；
（3）混合：将水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭、硅酸盐水泥按比例加水混合，得混合料；
（4）成型：将步骤(3)制得的混合料凝固后得到胚体；
（5）烘干：将步骤(4)制得的胚体于60-80℃烘干后冷却，得到生物质炭棒。
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