一种生物炭及其制备方法与流程

本发明属于对含纤维素物料技术领域，尤其涉及一种生物炭及其制备方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着现代工农产业的迅速发展，矿石资源开采、金属加工冶炼、废水排放、燃料的燃烧、生活垃圾乱弃等使得重金属污染物通过各种形式进入水体。由于食物链的作用发生连锁反应，重金属会逐级的富集到下一营养级，最后进入体内损害人体的各种机能。更为重要的是由于重金属污染的主要特点是污染隐蔽性、持续时间长、不可逆转性以及污染范围广等特性。因此，产生了重金属污染难治理的问题。

在农业经济发展历程中，农作物产量不断增长的背后，农业生产活动中产生排放的废弃物总量也在不断地增加。农作物秸秆、稻壳和木屑等农林生物质废弃物数量大来源广，占生物质能资源总量的60％，是当今世界仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。全球每年农作物秸秆产量高达40亿t。但是，因为农业废弃物的随意焚烧、排入河道等对环境的多方面，造成了严重的污染问题。由此看来，农业废弃物带来的危害也日益突出，对它的资源化利用也应该得到重视。由于人类活动引起的水体重金属污染问题，给生态环境和人体健康造成了大量的困扰。近些年来生物炭吸附技术逐渐兴盛，该技术对生态环境有相当的效益。

生物炭是指那些生物有机材料(即生物质)在缺氧或者绝氧的环境中，经过高温热裂解后生成的固态产物。这些固态炭化产物既可作为高效的能源和偏酸性土壤的调节剂，也可以作为有机还原剂、化学肥料的载体以及自然界中二氧化碳封存剂等，已经被大量的应用在固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等方面，一定程度上为全球性气候恶化、自然界环境污染以及农用土地功能退化等人类关心的热门问题上提供一些有效的缓解及解决措施。

生物炭广泛用于生活(如烧、烤、涮等饮食行业)；在农业方面，生物质炭具有改良土壤、促进土壤团聚体形成、对土壤生物生态具有调控作用等特性，同时还能减少土壤中含有的重金属的含量，对促进土壤中农作物的生长有极大的好处；在工业生产方面，生物炭现在在金属冶炼等行业中得到了广泛的应用。

生物质炭化技术根据划分方法的不同，可以划分为不同的种类。按照工艺的连续性可分为非连续性炭化、半连续炭化和连续炭化；按照炭化步骤可分为一步炭化法和两步炭化法；根据是否有催化剂可分为催化炭化和非催化炭化；根据加热方法可分为内热式和外热式；根据炭化温度又可分为低温炭化、中温炭化和高温炭化。然而上述炭化方法工艺都很复杂，设备成本高，而产率却不高。在生物质炭化过程中，生物质断键附产部分焦油和可燃气(co、ch4等)，使用传统的烘焙技术，生物质转变成生物炭的转化率在30％-40％，转化率低不仅浪费能源，并且会造成较大的环境污染。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有能源依然依赖于煤炭等能源，容易造成污染；现有生物炭的制备方法工艺都很复杂，设备成本高，产率不高。

(2)传统烘焙技术进行生物质的炭化过程中，生物质转变成生物炭的转化率在30％-40％，转化率低不仅浪费能源，并且会造成较大的环境污染。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物炭及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种生物炭，所述生物炭按照质量份数由30-45份桔皮、15-25份木屑、10-20份花生壳、8-15份椰壳、12-23份农业废弃物、5-8份含活性基团的活性剂以及3-5份催化剂组成。

进一步，所述农业废弃物为玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、南瓜秸秆、树木修剪枝条、木耳菌糠中的至少一种。

进一步，所述含活性基团的活性剂为羧酸、丙二醇甲醚醋酸酯、丙烯酸改性树脂或聚羧酸中的一种。

进一步，所述催化剂为钾盐、钙盐、过渡金属盐、金属氧化物或分子筛催化剂中的一种。

本发明的另一目的在于提供一种制备所述生物炭的生物炭制备方法，所述生物炭制备方法包括以下步骤：

步骤一，按比例称取桔皮、木屑、花生壳、椰壳、农业废弃物、活性剂、催化剂；将除活性剂和催化剂以外的原材料清洗后烘干。

步骤二，将风干后的原材料利用人工粉碎、机械粉碎进行混合粉碎处理；过80-120目筛，将颗粒过大的原材料再次粉碎。

步骤三，利用滚筒式烘干机对筛选后的材料进行烘干，同时利用引风机进行分离，取轻质颗粒备用。

步骤四，将步骤三得到的脱水烘干的轻质颗粒和含活性基团的活性剂及催化剂混合均匀，送入高压成型机内压制成型。

步骤五，将成型的原材料放置于瓷质坩埚中，盖上盖子，放置于马弗炉或管式炉中，缓慢稳定升温至指定温度，炭化6-8小时。

步骤六，利用细沙全覆盖放置有原材料的瓷质坩埚，并将瓷质坩埚自然冷却至室温。

步骤七，取出瓷质坩埚中的物质，过100-120目筛，即得生物炭。

进一步，步骤一中，所述除活性剂和催化剂以外的原材料使用自来水清洗后，再利用蒸馏水清洗2-3次；将利用蒸馏水清洗后的原材料置于烘箱中，在65-85℃下烘干12-24小时。

进一步，步骤三中，所述引风机风速流量为20000-23600m³/h、转速为1100-1200r/min、全压1600-2000pa。

进一步，步骤四中，所述加入活性剂后，高压成型机设定的温度范围为200-600℃，压力范围为0.01-10.0mpa。

进一步，步骤五中，所述缓慢稳定升温具体包括：以每分钟7℃的升温速率均匀缓慢的升温至600℃。

进一步，步骤五中，所述成型的原材料在惰性气体气氛下缓慢的升温至600℃，在600℃下保温1-2小时；再将温度从600℃升至800℃并保温2.5-3.5小时，然后在氨气的气氛中自然冷却至室温。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的生物炭原材料来源广泛，且成本低廉，还能够利用玉米秸秆、木屑等废弃物，进行废弃资源的再利用，提高资源利用率，同时本发明的生物炭不仅能够对土壤产生良性促进作用，还能够吸附土壤中的重金属离子，具备较大的利用价值。同时本发明的制备方法工艺简单，也无需多种设备，固定碳产率也很高，灰分产率低，且生物质炭的热值大。本发明使用的原料丰富廉价，将农田生物质废弃物再利用，在生物质炭化中添加含有活性基团的活性剂，可以有效抑制副反应的进行，与催化剂配合对生物质进行固溶炭化，提高煤炭转化率，炭化工艺清洁环保。

附图说明

图1是本发明实施例提供的生物炭制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。

本发明实施例提供的生物炭按照质量份数由30-45份桔皮、15-25份木屑、10-20份花生壳、8-15份椰壳、12-23份农业废弃物、5-8份含活性基团的活性剂以及3-5份催化剂组成。

本发明提供的农业废弃物为玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、南瓜秸秆、树木修剪枝条、木耳菌糠中的至少一种。

本发明提供的含活性基团的活性剂为羧酸、丙二醇甲醚醋酸酯、丙烯酸改性树脂或聚羧酸中的一种。

本发明提供的催化剂为钾盐、钙盐、过渡金属盐、金属氧化物或分子筛催化剂中的一种。

如图1所示，本发明提供的一种生物炭的生物炭制备方法包括以下步骤：

s101：按比例称取桔皮、木屑、花生壳、椰壳、农业废弃物、活性剂、催化剂；将除活性剂和催化剂以外的原材料清洗后烘干。

s102：将风干后的原材料利用人工粉碎、机械粉碎进行混合粉碎处理；过80-120目筛，将颗粒过大的原材料再次粉碎。

s103：利用滚筒式烘干机对筛选后的材料进行烘干，同时利用引风机进行分离，取轻质颗粒备用。

s104：将s103得到的脱水烘干的轻质颗粒和含活性基团的活性剂及催化剂混合均匀，送入高压成型机内压制成型。

s105：将成型的原材料放置于瓷质坩埚中，盖上盖子，放置于马弗炉或管式炉中，缓慢稳定升温至指定温度，炭化6-8小时。

s106：利用细沙全覆盖放置有原材料的瓷质坩埚，并将瓷质坩埚自然冷却至室温。

s107：取出瓷质坩埚中的物质，过100-120目筛，即得生物炭。

本发明提供的s101中，所述除活性剂和催化剂以外的原材料使用自来水清洗后，再利用蒸馏水清洗2-3次；将利用蒸馏水清洗后的原材料置于烘箱中，在65-85℃下烘干12-24小时。

本发明提供的s103中，所述引风机风速流量为20000-23600m³/h、转速为1100-1200r/min、全压1600-2000pa。

本发明提供的s104中，所述加入活性剂后，高压成型机设定的温度范围为200-600℃，压力范围为0.01-10.0mpa。

本发明提供的s105中，所述缓慢稳定升温具体包括：以每分钟7℃的升温速率均匀缓慢的升温至600℃。

本发明提供的s105中，所述成型的原材料在惰性气体气氛下缓慢的升温至600℃，在600℃下保温1-2小时；再将温度从600℃升至800℃并保温2.5-3.5小时，然后在氨气的气氛中自然冷却至室温。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。

实施例1

(1)生物炭产率的测定

称量生成生物炭的干重，计算不同生物炭的产率。

计算公式如下：

(2)生物炭灰分的测定

将生物炭磨碎，并过100目筛，称取l.0g(称准至0.02g)破碎的生物炭置于瓷坩埚底部，敞口置于马弗炉内，在750℃下灰化6h，待自然冷却至室温后，称量干重。

计算公式如下:

(3)生物炭ph的测定

称取未干燥的生物炭2.50g(±0.01g)，置于100ml的锥形瓶中，加入50ml煮沸并已冷却的去离子水水，加热缓和煮沸5min，添加蒸发掉的水，过滤，弃去初滤液5ml，余液冷却到室温后用ph计测定ph值。

表1制备生物炭的特性

实施例2

本发明实施例2提供的一种生物炭的生物炭制备方法包括以下步骤：

(1)按比例称取桔皮、木屑、花生壳、椰壳、农业废弃物、活性剂、催化剂；将除活性剂和催化剂以外的原材料使用自来水清洗后，再利用蒸馏水清洗2次；将利用蒸馏水清洗后的原材料置于烘箱中，在65℃下烘干12小时。

(2)将风干后的原材料利用人工粉碎、机械粉碎进行混合粉碎处理；过80目筛，将颗粒过大的原材料再次粉碎。

(3)利用滚筒式烘干机对筛选后的材料进行烘干，同时利用引风机进行分离，引风机风速流量为20000m³/h、转速为1100r/min、全压1600pa；然后取轻质颗粒备用。

(4)将步骤(3)得到的脱水烘干的轻质颗粒和含活性基团的活性剂及催化剂混合均匀，高压成型机设定的温度范围为200℃，压力范围为0.01mpa，将混合原材料送入高压成型机内压制成型。

(5)将成型的原材料放置于瓷质坩埚中，盖上盖子，放置于马弗炉或管式炉中，以每分钟7℃的升温速率均匀缓慢的升温至600℃，炭化6小时。在600℃下保温1小时；再将温度从600℃升至800℃并保温2.5小时，然后在氨气的气氛中自然冷却至室温。

(6)利用细沙全覆盖放置有原材料的瓷质坩埚，并将瓷质坩埚自然冷却至室温。

(7)取出瓷质坩埚中的物质，过100目筛，即得生物炭。

实施例3

本发明实施例3提供的一种生物炭的生物炭制备方法包括以下步骤：

(1)按比例称取桔皮、木屑、花生壳、椰壳、农业废弃物、活性剂、催化剂；将除活性剂和催化剂以外的原材料使用自来水清洗后，再利用蒸馏水清洗3次；将利用蒸馏水清洗后的原材料置于烘箱中，在85℃下烘干24小时。

(2)将风干后的原材料利用人工粉碎、机械粉碎进行混合粉碎处理；过80-120目筛，将颗粒过大的原材料再次粉碎。

(3)利用滚筒式烘干机对筛选后的材料进行烘干，同时利用引风机进行分离，引风机风速流量为23600m³/h、转速为1200r/min、全压2000pa；然后取轻质颗粒备用。

(4)将步骤(3)得到的脱水烘干的轻质颗粒和含活性基团的活性剂及催化剂混合均匀，高压成型机设定的温度范围为600℃，压力范围为10.0mpa，将混合原材料送入高压成型机内压制成型。

(5)将成型的原材料放置于瓷质坩埚中，盖上盖子，放置于马弗炉或管式炉中，以每分钟7℃的升温速率均匀缓慢的升温至600℃，炭化8小时。在600℃下保温2小时；再将温度从600℃升至800℃并保温3.5小时，然后在氨气的气氛中自然冷却至室温。

(6)利用细沙全覆盖放置有原材料的瓷质坩埚，并将瓷质坩埚自然冷却至室温。

(7)取出瓷质坩埚中的物质，过120目筛，即得生物炭。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。