一种生物碳粘土复合砖块的制备方法及其应用与流程

本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域，具体涉及一种生物碳粘土复合砖块的制备方法和应用。

背景技术：

生物碳是由农林废弃生物质通过限氧热解而产生的含碳固体，具有较强的固碳作用，并在土壤改良和作物增产中具有重要的应用价值；此外，生物碳具有较大的比表面积和空隙结构，因此可以作为吸附材料而应用在环境修复中。但由于生物碳通常以粉末或细小颗粒状态存在，且密度较小，使得生物碳在应用于水体污染物吸附时，难以进行有效回收，常漂浮于水体表面，很难与水体界面充分接触；另一方面，生物碳普遍存在机械强度低的特点，具体表现在生物碳收到挤压时会破碎，而限制其在环境净化中的大规模应用。

为了解决生物碳的分离回收问题，专利cn104028214提供了一种水热法制备磁改性生物碳，但是该制备方法需要三氯化铁和氢氧化钠，使得造价提高，且存在使用过程中铁的溶出和释放，造成二次污染。专利cn105396552提供了一种成型生物碳制备方法，该方法采用生物质、粘土与三氯化铁三种组分经混合、模具成型、热解得到，其中生物质的粒径优选为100-200目，粘土的粒径优选为1200-1800目，三氯化铁与生物质的比例优选为(3-5)mmol:1g。虽然成型生物碳的机械强度较高，吸附效果较好，但显然生物质和粘土颗粒需要过度粉碎过筛而使得制备过程繁琐费时，制得成型生物碳散失率高，同时由于加入三氯化铁，因此同样存在铁析出的风险。

显然提供一种形状大小可控的生物碳材料，应用于大面积水域环境修复，具有重要意义。该材料要具有：原材料广泛，价格低廉，制备方法简单，尺寸可控，透水性和机械强度大，可代替作为填料和铺设透水砖使用，不对自然环境构成二次污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种生物碳粘土复合砖块及其制备方法，使生物碳粘土复合砖块具有较好透水性能和机械性能，对污染物具有较好的吸附性能。

本发明所采用的具体技术方案如下：

生物碳粘土复合砖块的制备方法，包括以下步骤：

将生物质和水按照进行预混合，然后再加入粘土混合，将混合物和成团，放入模具中成型，再置于恒温干燥环境中干燥，最后在烧砖设备中烧制成生物碳粘土复合砖块；其中，所述的生物质为干燥、粉碎并过10-100目筛所得到的生物质，所述的粘土为风干后过10-100目筛所得到的粘土。

作为优选，所述的天然生物质为木屑、农业秸秆、稻壳和竹子中的一种或几种。优先为木屑，其中需对木屑进行粉碎，并过筛10-100目。当然，假如天然生物质本身已经位于10-100目粒径范围内，可以无需过筛。

作为优选，所述的粘土为高岭土或蒙脱土。

作为优选，水和粘土的质量比为1：(1～5)：(1～10)。

作为优选，所述的恒温干燥在40-60℃条件下干燥3h-12h。

作为优选，烧制条件为：氮气作为保护气体，升温速度5～20℃/min,烧制温度为600℃-900℃，保温时间3-6小时。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明制备所需的原料来源广泛，如木屑、稻壳、秸秆等，原料容易收集，实现了废弃生物质的资源化利用。

本发明的制备方法简单快捷，制备过程无额外试剂添加，对环境友好，不需要复杂的仪器设备，规模化生产潜力大。

本发明所制备的生物碳粘土砖块可根据需要(如作为湿地填料使用或代替透水砖进行路面铺设，去除雨水径流中的污染物)，对大小尺寸形状进行调整，可以大大拓宽其应用范围。

本发明的制备方法中，先将生物质与水混合再与粘土混合的方式能够显著提高木屑和粘土的混合均匀性，使制备出的生物碳粘土砖块性质均一，机械强度大。

本发明的方法制备得到的生物碳粘土复合砖块，可以作为吸附材料，例如用于吸附亚甲基蓝。

附图说明

图1为实施例1、3生物碳粘土砖块和比较例1粘土砖块对亚甲基蓝的吸附动力学曲线；

图2为实施例1中亚甲基蓝溶液在662nm处的吸光度随时间的变化谱图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

将木屑进行干燥粉碎，并过筛40目，将过筛的木屑先与水按照1:2.5进行预混合，然后再按照质量比木屑：粘土＝1:6加入粘土混合。混合均匀的木屑粘土复合物，团成块状或在模具中成型，然后在干燥箱中烘干，烘干温度为40℃，烘干时间为6小时。烘干后的木屑粘土块在氮气保护下的马弗炉中进行烧制，升温速度10℃/min,温度为800℃和保温时间6小时，得到生物碳粘土砖块。

实施例2

将木屑进行干燥粉碎，并过筛50目，将过筛的木屑先与水按照1:3进行预混合，然后再按照质量比木屑：粘土＝1:7加入粘土混合。混合均匀的木屑粘土复合物，团成块状或在模具中成型，然后在干燥箱中烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为4小时。烘干后的木屑粘土块在氮气保护下的马弗炉中进行烧制，升温速度10℃/min,温度为700℃和保温时间6小时，得到生物碳粘土砖块。

实施例3

将木屑进行干燥粉碎，并过筛80目，将过筛的木屑先与水按照1:4.5进行预混合，然后再按照质量比木屑：粘土＝1:10加入粘土混合。混合均匀的木屑粘土复合物，团成块状或在模具中成型，然后在干燥箱中烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为5小时。烘干后的木屑粘土块在氮气保护下的马弗炉中进行烧制，升温速度10℃/min,温度为800℃和保温时间4小时，得到生物碳粘土砖块。

比较例1

将木屑进行干燥粉碎，并过筛40目，将过筛的木屑按照1:2.5:6加入水和粘土。混合均匀的木屑粘土复合物，团成块状或在模具中成型，然后在干燥箱中烘干，烘干温度为40℃，烘干时间为6小时。烘干后的木屑粘土块在氮气保护下的马弗炉中进行烧制，升温速度10℃/min,温度为800℃和保温时间6小时，得到生物碳粘土砖块。

比较例2

将木屑进行干燥粉碎，并过筛80目，将过筛的木屑、水和粘土按照1:4.5:10混合。混合均匀的木屑粘土复合物，团成块状或在模具中成型，然后在干燥箱中烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为5小时。烘干后的木屑粘土块在氮气保护下的马弗炉中进行烧制，升温速度10℃/min,温度为800℃和保温时间4小时，得到生物碳粘土砖块。

对实施例1、2、3和比较例1、2中得到的生物碳粘土砖块散失率(sr)进行测定，方法如下：分别取上述生物碳粘土砖块，105℃烘干后称其质量，记为m0；然后将其放入250ml锥形瓶中，添加150ml纯水，将锥形瓶置于摇床上，25℃120r/min震荡12h，之后用10目筛网过滤，取其中粒径通过筛网的颗粒(粒径＞1.5mm)，105℃烘干后称重，记为m1；散失率：s＝m1/m0*100％；得到散失率的测定结果见表1，由表1可知，实施例中的生物碳粘土砖块的散失率较小，且不因生物碳含量的增加而增加；而对比例中的生物碳粘土砖块的散失率相对较大。

对实施例1、2、3和比较例1、2中得到的生物碳粘土砖块的机械强度进行测定：利用粉末压片机对上述生物碳粘土砖块的抗压强度进行测定，测定结果见表1。由表1可以看出，先将生物质与水混合再与粘土混合的方式能够显著提高木屑和粘土的混合均匀性，使制备出的生物碳粘土砖块性质均一，机械强度大。

对实施例1、2、3和比较例1、2中得到的生物碳粘土砖块的保水性和孔隙度进行测定。保水性测定参考jct945-2005透水砖行业标准进行测定；孔隙度的测定方法如下：用量具测量试样的各边长，每条边测量一次，取相对边的平均值，精确至0.1cm。计算试样的体积(v)。将试样置于温度为105℃的烘箱内烘干24h，得到干燥试样质量(m1)。将试样冷却至室温后竖直放入水槽中，注入温度为20℃左右的蒸馏水，将试样浸没，使水面高出试样约20mm。在水中浸泡24h，使试样上表面向上从水中取出，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，立即称量，为试样吸水24h的质量(m2)。

孔隙度的计算方法为：

ρ＝(m2-m1)/v

保水性和孔隙度的结果见表1。

表1生物碳粘土砖块散失率、抗压强度、保水性和孔隙度测试结果

以亚甲基蓝为代表污染物，对实施例1、2、3和比较例1、2中得到的生物碳粘土砖块的吸附能力进行评估：将上述生物碳粘土砖块加入盛有200ml亚甲基蓝溶液的250ml具塞锥形瓶中，吸附过程在25℃、120r/min的摇床中进行，固定时间点取样测定污染物的浓度，得到其吸附动力学曲线图，如图1所示，可以发现实施例1生物碳粘土砖块在78小时可以完全吸附溶液中的亚甲基蓝；图2为实施例1中溶液在662nm处的吸光度随时间的变化谱图。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。例如，尽管上述实施例中，制备过程中生物质和粘土通过40～80目筛得，但并非仅限于此，事实上通过10-100目筛所得到的都能实现本发明的效果。烧制、混合等过程中的具体参数也可以根据原料等方面进行调整。由此可见，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。