CN114702976A - 一种自蔓延热解制备生物炭的方法 - Google Patents

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普杰
田森林
赵群
屠依娜
张志宇
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Abstract

本发明公开了一种自蔓延热解制备生物炭的方法,所述的处理方法包括废弃生物质的干燥、粉碎,所得粉碎生物质与硝酸盐溶液混合并超声、溶液干燥得到干凝胶,所得干凝胶与催化剂混合和热解、以及热解物自然冷却步骤。本发明使用废弃生物质为原料,充分利用自蔓延热解原理,不借助其他额外的能量,基于硝酸盐和生物质在催化剂的催化作用下,发生自蔓延燃烧波形式的放热氧化还原反应,在相对较短的时间内形成生物炭,涉及工艺简单高效,成本低廉,便于推广应用。

Description

一种自蔓延热解制备生物炭的方法
技术领域
本发明属于生物炭制备领域,具体涉及一种利用自蔓延热解原理热解制备生物炭的方法。
背景技术
生物炭是一种新兴的碳材料,主要由生物质热解产生,近年来由于其在农业和环境领域作为肥料、固碳和土壤改良剂的广泛用途和效益而受到越来越多的关注。生物炭作为土壤改良剂,具有丰富的孔结构、高比表面积和可调节的表面官能团,不仅可以提高土壤肥力、提高肥料的保留率和促进微生物活性,还可以通过储存碳的方式减少土壤中温室气体(如CO2、CH4、N2O)的排放。
生物炭的吸附是一种应用广泛的技术,因为它具有许多优点,例如操作简单、运行成本低、效率高和不形成有毒副产品。在生物炭的吸附中,生物炭的制备是最关键的考虑因素。在制备生物炭时,生物炭的制备原料来源广泛(如农林业废弃物,工业和城市生活中产生的垃圾、污泥等等),原材料成本相对较低,但工艺(活化、掺杂等)需要高温、复杂的设备、昂贵的试剂和各种化学反应步骤,这大大提高了操作成本。因此,设计一种经济、易得、高效、高选择性且无需复杂制备过程的生物炭已成为许多研究人员的目标。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题,提供一种自蔓延热解制备生物炭的方法,本发明利用自蔓延热解技术即在进行生物炭制备过程中,生物质的热解不借助其他额外的能量,基于硝酸盐和生物质,在催化剂的催化作用下发生放热氧化还原反应,一旦混合物被外部能源点燃,在相对较短的时间内,高放热反应以自蔓延燃烧波的形式通过混合物传播,从而逐渐形成生物炭。
本发明的目的是这样实现的,包括以下步骤:
S1、首先将生物质进行干燥,干燥温度为50-80℃,干燥时间为10-48h;
S2、将干燥后的生物质粉碎至10-100目,添加硝酸盐溶液,溶解在去离子水中,得到反应液;
S3、将反应液置于镍坩埚中用玻璃棒搅拌,先进行超声波处理5-30 min;再置于80-105℃的烘箱中干燥,直到其成为干凝胶;
S4、将所得干凝胶混合催化剂,直接转移到热板上,用玻璃烧杯覆盖,并从室温加热至200-500℃,且在最高热解温度停留约20-50分钟以引发燃烧反应,然后自然冷却至室温;
S5、收集生物炭粉末,获得产品。
优选的,所述的生物质中可为农林业废弃物(木材、秸秆、果壳等),工业和城市生活中产生的有机废物(垃圾、污泥、高炉渣等),以提高各类有益元素和微量元素的比例。
优选的,所述的硝酸盐为硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠中的一种或多种。
优选的,所述的催化剂为二氧化锰、铁粉、氧化铝中的一种或多种。
优选的,所述的硝酸盐浓度为1-100 mol/L。
本发明的有益效果:
1、本发明使生物炭的热解制备简单化,充分利用自蔓延热解原理,使作为还原剂的生物质和作为氧化剂的硝酸盐的氧化还原反应,在催化剂的催化下,发生生物质的自蔓延热解,热解不再需要额外的能量,涉及工艺简单,成本低廉,便于推广应用。
2、本发明使用的生物质来源于农林业废弃物,工业和城市生活中产生的有机废物,不仅原料易得,而且实现了资源的循环利用,响应绿色生产。
3、本发明添加的硝酸盐溶液,不危害土壤、大气和水环境,而且还富含多种元素,为环境的自我恢复和作物的生长提供了保障。
4、本方法制得的生物炭,具有丰富的吸附活性中心和表面官能团,具有良好的吸附效果,是一种低成本、高效且环保的生物炭,具有明显的环境、经济和社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但不以任何方式对本发明加以限制,基于本发明教导所作的任何变换或替换,均属于本发明的保护范围。
实施例1
10 g秸秆洗净,干燥温度为80℃,干燥时间为48h,粉碎至70目,添加1 mol/L硝酸钾溶液,溶解在250 mL去离子水中,得到反应液。将反应液置于镍坩埚中用玻璃棒搅拌,进行超声波处理30 min,之后置于105°C的烘箱中干燥混合物,直到其成为干凝胶。将干燥样品混合二氧化锰催化剂,直接转移到热板上,用玻璃烧杯覆盖,并从室温加热至500°C,且在500°C停留约20分钟以引发燃烧反应,于自然冷却至室温之后,收集生物炭粉末,以获得产品。最终所制生物炭与普通厌氧热解生物炭相比,具有更丰富的孔结构,且比表面积突出。
实施例2
100g木炭洗净,干燥温度为50℃,干燥时间为24h,粉碎至100目,添加10 mol/L硝酸铵溶液,溶解在250 mL去离子水中,得到反应液。将反应液置于镍坩埚中用玻璃棒搅拌,进行超声波处理10 min,之后置于100°C的烘箱中干燥混合物,直到其成为干凝胶。将干燥样品混合铁粉催化剂,直接转移到热板上,用玻璃烧杯覆盖,并从室温加热至300°C,且在300°C停留约50分钟以引发燃烧反应,于自然冷却至室温之后,收集生物炭粉末,以获得产品。最终所制生物炭在各种pH环境中均保持良好的吸附性能。
实施例3
500g污泥洗净,干燥温度为80℃,干燥时间为44h,粉碎至80目,添加20 mol/L硝酸铵溶液,溶解在1000 mL去离子水中,得到反应液。将反应液置于镍坩埚中用玻璃棒搅拌,进行超声波处理20 min,之后置于105°C的烘箱中干燥混合物,直到其成为干凝胶。将干燥样品混合铁粉催化剂,直接转移到热板上,用玻璃烧杯覆盖,并从室温加热至400°C,且在400°C停留约50分钟以引发燃烧反应,于自然冷却至室温之后,收集生物炭粉末,以获得产品。最终所制生物炭拥有更多的氢键,且π-π相互作用和表面络合作用更强。

Claims (6)

1.一种自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述方法包括以下步骤:
S1、首先将生物质进行干燥,干燥温度为50-80℃,干燥时间为10-48h;
S2、将干燥后的生物质粉碎至10-100目,添加硝酸盐溶液,溶解在去离子水中,得到反应液;
S3、将反应液置于镍坩埚中用玻璃棒搅拌,先进行超声波处理5-30 min;再置于80-105℃的烘箱中干燥,直到其成为干凝胶;
S4、将所得干凝胶混合催化剂,直接转移到热板上,用玻璃烧杯覆盖,并从室温加热至200-500℃,且在最高热解温度停留约20-50分钟以引发燃烧反应,然后自然冷却至室温;
S5、收集生物炭粉末,获得产品。
2.根据权利要求1所述的自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述的生物质为农林业废弃物或工业、城市生活产生的有机废物。
3.根据权利要求1所述的自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述的农林业废弃物为木材、秸秆或果壳,所述的工业、城市生活产生的有机废物为垃圾、污泥或高炉渣。
4.根据权利要求1所述的自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述的硝酸盐为硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述的硝酸盐浓度为1-100 mol/L。
6.根据权利要求1所述的自蔓延热解制备生物炭的方法,其特征在于所述的催化剂为二氧化锰、铁粉、氧化铝中的一种或多种。
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魏学锋;苗娟;董铁有;马建华;: "生物质燃料催化氧化燃烧机理", 河南科技大学学报(自然科学版), vol. 30, no. 02, pages 32 - 34 *

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