一种生物质炭泥及其制备方法与流程

本发明涉及一种无土栽培应用材料领域，尤其涉及一种生物质炭泥及其制备方法。

背景技术：

生活在都市中的人们对拥有绿色、亲近田园的愿望日益强烈，因而各种适用于城市建筑内的植物栽培技术和产品不断被推出，例如植物墙、屋顶绿化、立面绿化、室内盆栽等。

传统的土壤基栽培应用限制条件多，整体重量大，不能良好适应屋顶、立面、墙体等建筑结构，特别是在立面建筑结构中有时需要植株水平横向或坚立倒向安放，这种情况下土壤基栽培就不能适用；而且易生虫、易霉变出味、遇水易发生渗漏、遇风易尘土飞扬，对环境卫生有较大不利影响。

水基无土栽培可用于在室内或室外平台建立小型植物景观。例如，公开号为CN102119651的中国专利文献记载了一种小型无土栽培方法及装置，其将营养液盛放于养植盘或营养液贮液池内，作物即种植于营养液内，所述营养液中加入仿土材料袋，仿土材料袋内置包括如下重量份的原料：有机物质20-90，非金属矿物质2-80，其中有机物质为泥炭、发酵秸秆、发酵蔗渣、发酵畜禽粪中的一种或其混合物，所述非金属矿物质为煤灰、钢渣、沸石、膨润土、蛋白页岩、凹凸棒矿土、珍珠岩、蛭石、累托石黏土、海泡石黏土、硅藻土中的一种或其混合物；营养液与仿土材料的比例5～2：1，仿土材料袋可以补充营养液中缺少的微量成份，并且起到有害离子吸附作用；底部需设置排水管和循环管路。但是，现有的水基无土栽培存在产品结构复杂、体积和重量较大、不适用于立面建筑结构等问题，而且植物维护技术复杂，植株成活率低，同样不能满足实际需求。

现有技术还具有利用天然土壤的混合成份替代物进行植被栽培的技术方案。例如，公开号为CN102090309A的中国专利文献公开了一种天竺葵扦插栽培基质，包括以泥炭和珍珠岩和椰糠为基质，且泥炭∶珍珠岩∶椰糠体积比组成：3～4∶2～3∶1。公开号为CN102090310A的中国专利文献公开了一种紫罗兰无土栽培基质，其中泥炭和珍珠岩和椰糠的体积比为2～3.5∶1∶1。上述基质疏松透气、质量轻、有利于植株生长。但是，上述替代基质以不定型态存在，因此应用受到容器安放方面的限制，当需到立面建筑结构中需要使植株水平横向或直坚立倒向安放的情况仍然会产生问题，例如容易松散脱落，而且上述基质吸水保水效果一般，功能也相对单一。

技术实现要素：

针对上述所涉及的问题，本发明的目的是提供一种生物质炭泥及其制备方法。该生物质炭泥不含土壤，几乎不会产生病虫害，而且可以任意成型，不会像土壤一样有尘土飞散；可以制成各种形状，在横向垂直面或曲面上种植各种植物，大大拓展了使用性。

本发明的研究人员在研究中发现，进行亲水改性处理后的生物碳制成生物质炭泥后，在其中种植的植物生长迅速，枝叶繁茂，美观大方。这可能是由于亲水改性后的生物碳具有亲水基团，可以提高生物碳亲水性和良好的生物相同性，并能提高植物的免疫性。同时，将聚双马来酰亚胺与含亲水基团的生物碳进行喷雾造粒，将两种物质进行充分复合，形成复合生物碳，进而提高了复合生物碳与其他物质的亲和性和结合力。

本发明采用原位自由基溶液聚合的方法，将聚乙二醇丙烯酸酯接枝到生物碳上，制备了亲水性的生物碳。如图1所示，图中黑色长条形物质是未处理的生物碳二次颗粒，经过亲水改性后，生物碳含有亲水基团，其中接枝聚合物主链为聚丙烯酸酯，侧链是乙二醇，形成类似“梳形”聚合物。大量的乙二醇链可以赋予生物碳高度的水溶性，并提高生物碳的生物相容性。

本发明的研究人员还发现，使用三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒的生物质炭泥，可塑性非常高，固定性能好，在不同温度下都能展现良好的性能。这可能是与亲水改性后的生物碳发生了协同作用，两者相互复合形成强有力的结合，从而提高了结合性和可塑性。

本发明提供了一种生物质炭泥，其由下列物质组成：80-85wt％复合生物碳，7.5-10wt％三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒，2.5-5wt％秸秆粉末，0.01-0.05wt％银粉和2.5-5wt％交联剂TAC；所述复合生物碳，由1.5-3.5wt％聚双马来酰亚胺和96.5wt％-98.5wt％含有亲水基团的生物碳组成。

本发明还提供了一种生物质炭泥的制备方法，包括如下步骤：

(1)取木屑、秸秆、椰壳、落叶中的一种或多种作为碳源，粉碎至平均粒径为50-200微米的颗粒，将上述粉碎后的碳源在氮气或惰性气体下升温至200-500℃，升温速率10-50℃/分钟，之后保温1-2小时，然后在氮气或惰性气体下继续升温至550-800℃，升温速率15-60摄氏度/分钟，保温0.5-2小时，制得生物碳前驱体；

(2)在水中加入生物碳前驱体和聚乙二醇丙烯酸酯，超声10-30分钟，使得生物碳前驱体均匀分散在水中，然后在室温连续搅拌条件下，加入过硫酸铵，通入氮气除氧0.5-2小时后，升温至80-100℃反应12-24小时，过滤得到滤渣，将滤渣在40-80℃下真空干燥10-24小时，制得含亲水基团的生物碳；

(3)将聚双马来酰亚胺、含有亲水基团的生物碳以及乙醇混合形成悬浮液，将所述悬浮液雾化造粒得到复合生物碳微粉，最后真空干燥；

(4)按照所需重量比将复合生物碳、三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒、秸秆粉末、银粉、交联剂TAC混合均匀后注入成型模具，挤压成型后，放置24-48小时，最后在50-70℃下加热至干燥硬化定型，制得该生物质炭泥。

优选的是，所述含有亲水基团的生物碳是通过聚乙二醇丙烯酸酯制备的。

优选的是，所述复合生物碳平均粒径为1-5微米。

优选的是，所述三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒平均粒径为0.5-3微米。

优选的是，秸秆粉末平均粒径为1-5微米。

优选的是，银粉平均粒径为0.3-2微米。

优选的是，生物碳前驱体和聚乙二醇丙烯酸酯的质量比为1∶40-400。

优选的是，过硫酸铵与生物碳前驱体的质量比是1-10∶1。

优选的是，步骤(3)真空干燥的温度是40-80℃，时间是10-24小时。

优选的是，将腐殖酸、含氮肥料、含磷肥料、含钾肥料中的任意一种或多种与复合生物碳、三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒、秸秆粉末、银粉、交联剂TAC共同搅拌混合均匀，然后注入成型模具。

本发明的生物质炭泥具有如下优点：

1、亲水基团提高了生物质炭泥的亲水性，具有良好的生物相同性，并能提高植物的免疫性。

2、聚双马来酰亚胺与含亲水基团的生物碳进行喷雾造粒形成复合生物碳，提高了复合生物碳与其他物质的亲和性和结合力。

3、可任意成型、定型后具有足够的结构强度，呈块状不会分散。

4、加入的银粉具有防虫抑菌的功效，适合室内使用。

附图说明

图1为本发明对生物碳进行亲水改性处理的原理示意图。

图2为本发明由生物质炭泥制成的种植器具示意图

具体实施方式

实施例1

取木屑粉碎至100微米，将粉碎后的木屑在氮气气氛下以20℃/分钟的速率升温至300℃，并保温1小时，然后在氮气保护下以30℃/分钟的速率升温至600℃，并保温1小时，得到生物碳前驱体。

在水中加入重量比1∶100的生物碳前驱体和聚乙二醇丙烯酸酯，超声震荡10分钟，使得生物碳前驱体、聚乙二醇丙烯酸均匀分散在水中，然后在室温下连续搅拌条件下，加入5倍重量于生物碳前驱体的过硫酸铵，之后通入氮气除氧，通氮气时间1小时，之后升温至80℃下反应12小时，反应结束后过滤得到滤渣，将滤渣在50℃下真空干燥24小时，制得含亲水基团的生物碳。

将按重量比2∶98的聚双马来酰亚胺和含亲水基团的生物碳及适量乙醇混合形成悬浮液，将其雾化造粒得到平均粒径为1-5微米的复合生物碳颗粒，之后在50℃下真空干燥20小时。

按照重量比800∶80∶30∶0.1∶30称取复合生物碳、0.5-3微米粒径的三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒、1-5微米粒径的秸秆粉末、0.3-2微米粒径的银粉、交联剂TAC，混合均匀后注入成型模具，挤压成型后，放置24小时，最后在50℃下加热至干燥硬化定型，制得生物质炭泥。

实施例2

取椰壳粉碎至200微米，将粉碎后的椰壳在氩气气氛下以50℃/分钟的速率升温至500℃，并保温1小时，然后在氮气保护下以50℃/分钟的速率升温至800℃，并保温0.5小时，得到生物碳前驱体。

在水中加入重量比1∶100的生物碳前驱体和聚乙二醇丙烯酸酯，超声震荡10分钟，使得生物碳前驱体、聚乙二醇丙烯酸均匀分散在水中，然后在室温下连续搅拌条件下，加入10倍重量于生物碳前驱体的过硫酸铵，之后通入氮气除氧，通氮气时间1小时，之后升温至80℃下反应12小时，反应结束后过滤得到滤渣，将滤渣在80℃下真空干燥10小时，制得含亲水基团的生物碳。

将按重量比3∶97的聚双马来酰亚胺和含亲水基团的生物碳及适量乙醇混合形成悬浮液，将其雾化造粒得到平均粒径为1-5微米的复合生物碳颗粒，之后在50℃下真空干燥12小时。

按照重量比800∶80∶30∶0.1∶30称取复合生物碳、0.5-3微米粒径的三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒、1-5微米粒径的秸秆粉末、0.3-2微米粒径的银粉、交联剂TAC，混合均匀后注入成型模具，挤压成型后，放置24小时，最后在50℃下加热至干燥硬化定型，制得生物质炭泥。

对比例1

取木屑粉碎至100微米，将粉碎后的木屑在氮气气氛下以20℃/分钟的速率升温至300℃，并保温1小时，然后在氮气保护下以30℃/分钟的速率升温至600℃，并保温1小时，得到生物碳前驱体。

将按重量比2∶98聚双马来酰亚胺、生物碳前驱体及乙醇混合形成悬浮液，将其雾化造粒得到平均粒径为1-5微米的复合生物碳颗粒，之后在50℃下真空干燥20小时。

按照重量比800∶80∶30∶0.1∶30称取复合生物碳、0.5-3微米粒径的三聚氰胺-尿素-甲醛树脂颗粒、1-5微米粒径的秸秆粉末、0.3-2微米粒径的银粉、交联剂TAC，混合均匀后注入成型模具，挤压成型后，放置24小时，最后在50℃下加热至干燥硬化定型，制得生物质炭泥。

将实施例1和对比例1制得的生物质炭泥通过制备过程中的定型过程，分别制成图2所示的种植器具各5个，总共10个，包括海绵基座101和海绵盖体102，所述海绵基座101包含下凹口103，用于放置或生长植株；下凹口103的底端是封闭的；所述海绵盖体102用于在遮盖所述下凹口，海绵盖体102覆盖后会与海绵基座101的下凹口之间留有缝隙，以便植株从中露出并向外生长。

将5个实施例1和5个对比例1的生物质炭泥放入水中浸泡至其被浸透，然后在同一根绿萝上截下20cm的绿萝段放置到海绵基座101的下凹口103，并且覆盖上海绵盖体102，不需要填充土壤或其它基质填料。适当浇少量水，绿萝段可以吸收由生物质炭泥提供的养分而实现自身生长，使得根系生长穿透生物质炭泥的表面而进入至海绵基座内部，利用植株的自身根系实现在生物质炭泥内的固定。经过60天后，实施例1生物质炭泥中的绿萝段在长度、茂盛程度明显优于对比例1的绿萝段。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。