本發(fā)明屬于生物炭材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物炭復(fù)合材料的制備方法及其產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

生物炭(biochar)是生物質(zhì)在無(wú)氧或少氧環(huán)境中經(jīng)熱解反應(yīng)后的固體產(chǎn)物，其具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的比表面積和芳香族結(jié)構(gòu)。生物炭(biochar)主要作為土壤改良劑和吸收劑用于農(nóng)林業(yè)土壤，其可以改善土壤理化特性，吸收土壤中的污染元素，實(shí)現(xiàn)土壤炭固定和修復(fù)污染土壤，解決土壤的生態(tài)問(wèn)題，提高農(nóng)作物品質(zhì)，并且可以減少溫室氣體排放。

我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，其中以麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種產(chǎn)量最大，但是我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源利用率還比較低下，大量的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)直接在農(nóng)田進(jìn)行焚燒，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)制備生物炭材料不僅可以有效提高農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的利用價(jià)值，為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)找到一條有效的利用途徑，而且可以解決土壤生態(tài)問(wèn)題，減少環(huán)境污染和碳排放，是一種擁有廣闊前景的技術(shù)。但是采用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)制備生物炭材料技術(shù)還存在以下問(wèn)題：1、高吸水性生物炭材料可以有效保留土壤中的水分，是決定土壤改良效果的重要因素之一；但是由于每種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈的理化特性不同，對(duì)某些種類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)如棉桿來(lái)說(shuō)，難以制備出高吸水性生物炭材料，其他種類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)制備生物炭的吸水性也有待提高；2、比表面積和孔隙率決定著生物炭的吸附能力，決定著其對(duì)土壤的修復(fù)效果，由于每種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈的理化特性不同，對(duì)某些種類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)如棉桿和稻桿來(lái)說(shuō)，難以制備出較高比表面積和孔隙率的生物炭材料，其他種類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)制備生物炭的比表面積和孔隙率也有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種生物炭復(fù)合材料的制備方法及其產(chǎn)品，通過(guò)選用多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料在粉碎后進(jìn)行無(wú)氧熱解處理，得到高吸水性、高比表面積的生物炭復(fù)合材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種生物炭復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)以麥稈為主料，以玉米桿、稻桿和棉桿中的至少兩種作為輔料，且各組分的質(zhì)量百分比依次為：麥稈50-60％，玉米桿不高于36％，稻桿不高于28％，棉桿不高于16％；

(2)對(duì)選定的主料和輔料進(jìn)行干燥處理，而后粉碎，混合主、輔料，并密封存儲(chǔ)一段時(shí)間；

(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體氛圍下進(jìn)行無(wú)氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；

基于上述方式，通過(guò)選用多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料在粉碎后進(jìn)行無(wú)氧熱解處理，由此獲得在吸水性、比表面積和孔隙率等多種性能方面均有提升的生物炭復(fù)合材料。

生物質(zhì)的無(wú)氧熱解過(guò)程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其孔結(jié)構(gòu)、元素種類及含量等對(duì)熱解產(chǎn)物的理化特性具有重要影響，主要影響炭材料的理化特性-比表面積、孔隙率、表面官能團(tuán)和可溶性元素含量等，不同生物質(zhì)的混合熱解促使熱解反應(yīng)獲得更優(yōu)質(zhì)的炭產(chǎn)物，本發(fā)明的復(fù)合材料基于上述多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的理化特性及熱解過(guò)程之間的交互作用，汲取了四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的理化特性優(yōu)勢(shì)，綜合提高了吸水性、比表面積、孔隙率和營(yíng)養(yǎng)元素，可作為土壤改良劑、肥料緩釋載體、吸附劑和催化劑等，使炭材料具有不同的利用方式及較高的利用價(jià)值。另外，在制備過(guò)程中，對(duì)多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)先粉碎再炭化，保證了制得的生物炭結(jié)構(gòu)的均勻性。

優(yōu)選地，步驟(2)中主料和輔料干燥至含水量為6％-10％。

優(yōu)選地，步驟(2)中主料和輔料粉碎至粒徑不大于0.25mm。

優(yōu)選地，步驟(2)中主料和輔料的密封存儲(chǔ)時(shí)間的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)環(huán)境溫度在10℃以下時(shí)，密封存儲(chǔ)60天；當(dāng)環(huán)境溫度在25℃以下時(shí)，密封存儲(chǔ)30天；當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)，密封存儲(chǔ)15天。適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)存儲(chǔ)時(shí)間和環(huán)境溫度保證生物質(zhì)的理化特性不發(fā)生變化。

優(yōu)選地，步驟(3)中熱解溫度區(qū)間為500℃-600℃。

優(yōu)選地，步驟(3)中熱解反應(yīng)時(shí)間為30min-40min。

優(yōu)選地，步驟(3)中惰性氣體選用氮?dú)?，且流速?.25-0.4m/s，更優(yōu)選地，流速為0.32m/s。由于生物質(zhì)熱解產(chǎn)物有炭、氣和油三種，產(chǎn)生的氣是熱解氣體，主要成分是甲烷、一氧化碳、氫氣和烯烴等氣體，油在高溫下為氣態(tài)，在熱解過(guò)程中熱解氣和氣態(tài)油被流通的氮?dú)鈳ё?，從而保證炭孔隙不被堵塞。

適宜的生物質(zhì)含水量和粒徑、熱解溫度和熱解時(shí)間等熱解條件有利于熱解反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)的分解與形成，獲得優(yōu)質(zhì)的炭產(chǎn)物。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種復(fù)合材料，按上述制備方法制備得到。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

(1)該復(fù)合材料依靠四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的交互作用，汲取了四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的理化特性優(yōu)勢(shì)，綜合提高了生物炭的吸水性、比表面積、孔隙率和營(yíng)養(yǎng)元素，應(yīng)用于土壤改良及修復(fù)的效果更好，有利于土壤生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。

(2)本發(fā)明中制備方法過(guò)程簡(jiǎn)便、可控制，成本較低，易于工業(yè)化和商品化生產(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明復(fù)合材料與單個(gè)生物質(zhì)制得生物炭材料的吸水平衡含水量對(duì)比圖；

圖2是中發(fā)明復(fù)合材料與單個(gè)生物質(zhì)制得生物炭材料的比表面積和孔隙率對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供了一種生物炭復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)以麥稈為主料，以玉米桿、稻桿和棉桿中的至少兩種作為輔料，且各組分的質(zhì)量百分比依次為：麥稈50-60％，玉米桿不高于36％，稻桿不高于28％，棉桿不高于16％；

(2)對(duì)選定的主料和輔料進(jìn)行干燥處理，而后粉碎、混合主、輔料，并密封存儲(chǔ)一段時(shí)間；

(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行無(wú)氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；

基于上述方式，通過(guò)選用多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料在粉碎后進(jìn)行無(wú)氧熱解處理，得到生物炭復(fù)合材料。

優(yōu)選地，步驟(2)中主料和輔料干燥至含水量為6％-10％，粉碎至粒徑不大于0.25mm，密封存儲(chǔ)時(shí)間的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)環(huán)境溫度在10℃以下時(shí)，密封存儲(chǔ)60天；當(dāng)環(huán)境溫度在25℃以下時(shí)，密封存儲(chǔ)30天；當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)，密封存儲(chǔ)15天；步驟(3)中熱解溫度區(qū)間為500℃-600℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為30min-40min，惰性氣體選用氮?dú)?，且流速?.25-0.4m/s，更優(yōu)選為0.32m/s。

具體實(shí)施例如下

實(shí)施例1

按照上述制備方法制備生物炭復(fù)合材料，具體參數(shù)如下：選用麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料，混合的質(zhì)量百分比例為麥稈50％、玉米桿24％、稻桿18％和棉桿8％；麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在25℃密封存儲(chǔ)30天，熱解溫度為550℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為30min，通入的無(wú)氧保護(hù)氣N₂氣流速為0.32m/s。由此制備得到生物炭復(fù)合材料。

針對(duì)得到的上述生物炭復(fù)合材料，圖1和圖2分別提供了該生物炭復(fù)合材料與四種單獨(dú)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在吸水平衡含水量、比表面積和孔隙率三種性能參數(shù)的對(duì)比。由圖1和圖2可以看出，本發(fā)明制備的生物炭復(fù)合材料的吸水平衡含水量、比表面積和孔隙率三種性能參數(shù)均明顯優(yōu)于四種單獨(dú)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，通過(guò)將多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原材料結(jié)合，制備得到的生物炭復(fù)合材料表現(xiàn)出了更加優(yōu)秀的性能。

實(shí)施例2

按照上述制備方法制備生物炭復(fù)合材料，具體參數(shù)如下：選用麥稈、玉米桿和棉桿三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料，混合的質(zhì)量百分比例為麥稈55％、玉米桿36％和稻桿9％；麥稈、玉米桿和稻桿三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在10℃密封存儲(chǔ)60天，熱解溫度為500℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為40min，通入的無(wú)氧保護(hù)氣N₂氣流速為0.25m/s。由此制備得到生物炭復(fù)合材料。

實(shí)施例3

按照上述制備方法制備生物炭復(fù)合材料，具體參數(shù)如下：選用麥稈、稻桿和棉桿三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料，混合的質(zhì)量百分比例為麥稈60％、稻桿28％和棉桿12％；麥稈、稻桿和棉桿三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在30℃密封存儲(chǔ)15天，熱解溫度為600℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為30min，通入的無(wú)氧保護(hù)氣N₂氣流速為0.4m/s。由此制備得到生物炭復(fù)合材料。

實(shí)施例4

按照上述制備方法制備生物炭復(fù)合材料，具體參數(shù)如下：選用麥稈、玉米桿和棉桿三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料，混合的質(zhì)量百分比例為麥稈53％、玉米桿31％、棉桿16％；麥稈、玉米桿和棉桿四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在20℃密封存儲(chǔ)30天，熱解溫度為530℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為35min，通入的無(wú)氧保護(hù)氣N₂氣流速為0.32m/s。由此制備得到生物炭復(fù)合材料。

實(shí)施例5

按照上述制備方法制備生物炭復(fù)合材料，具體參數(shù)如下：選用麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)作為原材料，混合的質(zhì)量百分比例為麥稈57％、玉米桿20％、稻桿13％和棉桿10％；麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在8℃密封存儲(chǔ)60天，熱解溫度為570℃，熱解反應(yīng)時(shí)間為32min，通入的無(wú)氧保護(hù)氣N₂氣流速為0.32m/s。由此制備得到生物炭復(fù)合材料。

在上述實(shí)施例中，該生物炭復(fù)合材料的制備方法中的各種參數(shù)如原材料的質(zhì)量百分比、熱解溫度、熱解時(shí)間、N₂流速等參數(shù)僅用于示例和解釋，本發(fā)明的方案并不限于上述具體的數(shù)值、具體的材料組合，上述所有實(shí)施例中的參數(shù)只要在權(quán)利要求書所述的范圍內(nèi)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

由上述實(shí)施例可知，本發(fā)明制備的生物炭復(fù)合材料基于上述多種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的理化特性及熱解過(guò)程之間的交互作用，汲取了四種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的理化特性優(yōu)勢(shì)，綜合提高了吸水性、比表面積、孔隙率和營(yíng)養(yǎng)元素。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。