专利名称：生物炭的制备方法
技术领域：
本发明属于生物质的资源化利用，具体涉及利用入侵植物和绿化垃圾生产生物炭的方法。
背景技术：
生物炭是生物质在无氧或低氧状态下热解后残余的富碳固体副产物。近年来，由于生物炭显著的环境和社会效益，引起了全世界范围内的广泛兴趣和极大关注。由于其碳含量高且空隙结构发达，抗腐蚀性好，可保持水分、养分，吸附有机物、重金属等污染物，是一种理想的土壤改良剂和吸附剂。生物炭的应用可带来四方面的环境效益减缓温室效益、 改良土壤、提高农作物产率、减轻环境污染。生物炭经过热解后，大部分组分为碳，性质稳定，不易分解，减少了生物质腐烂变质或焚烧产生CO2和CH4等温室气体，有利于缓解温室效应。生物炭氮、磷含量较高，它的孔洞结构也十分容易聚集营养物质和有益微生物，以及保持水分，从而减少化肥的使用，同时可使土壤变得肥沃利于植物生长，实现增产的同时让农业更具有持续性。生物炭发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，使其对有机物和重金属(尤其是重金属)都有较好的去除效果，是一种理想的吸附剂。生物炭的原料种类繁多，包括树叶、农作物残余物、污泥、生活垃圾等，导致其制备条件也多种多样。虽然原料种类繁多，但是大都具有分布极为分散、大范围收集、形态各异、 季节性、周期性、受潮易腐烂等特点，导致运输成本大、储存空间和成本高。因此寻求合适的原料和制备方法具有现实意义和商业化前景。本发明旨在利用不同生物质混合来制备生物炭，解决其原料来源分布分散、不易收集、季节性、周期性、不易储存等缺点。主要利用两种类型的生物质入侵植物、绿化垃圾， 按其成熟的季节性以不同比例混合制备生物炭。入侵植物利用的是互花米草，起源于北美洲大西洋海岸和墨西哥湾，适宜生活于潮间带。1979年引入我国，用于保滩护岸、促淤造陆，但由于其强大的繁殖能力和良好的耐受性，现已广泛分布于中国沿海各省市，对我国沿海滩涂地区的生物多样性、景观结构、近海养殖和海水水质造成了明显的损害和影响，2003年被国家环保局列入我国首批16种入侵种黑名单。互花米草为多年生禾本科高杆型草本植物，其含有丰富的纤维素(30 35%)、 半纤维素(35 40%)、木质素(18 20%)，四季生物量都较为稳定，尤其是其成熟期(8 12月)产量更大。现在对互花米草还没有较好的控制方法，利用研究也处于起步阶段，将其制备成生物炭可充分利用其巨大的生物量，变害为宝，产生良好的环境、经济和社会效益。绿化垃圾是指城市绿化美化和郊区林业抚育、果树修剪过程中产生的落叶、树木枝干等。随着城市绿化面积的逐渐扩大，园林绿化废弃物也急剧增加，每个月都有大量绿化垃圾产生，尤其是秋季落叶和枯枝数量剧增。焚烧和填埋等传统处理方式不仅易造成环境污染，还占用土地。今年来兴起的处理方式——堆肥，虽然可以实现循环利用，但是其处理周期长，土地占用率较高。如果能将这些绿化垃圾制备成生物炭，不但可以循环利用，而且其处置方法周期短、简单易行、经济效益高。
因此，以这两种生物质作为原材料制备生物炭，原料产量巨大、廉价易得，不但解决了生态环境问题，还克服了其来源季节性、周期性的缺点。制得的生物炭用途广泛，可作为土壤改良剂和吸附剂，促进了资源的循环利用，有利于生态、经济和社会的协调发展。
发明内容
本发明是为了有效利用入侵植物、绿化垃圾这两种生物质，提供以互花米草、树叶树枝为原料，对环境污染小、可充分利用其资源，以及工艺简单、经济的生物炭制备方法，获得质优价廉的新型生物炭。新型生物炭的制备方法阐述如下
1)互花米草去根，将互花米草、绿化垃圾清洗干净，烘干，粉碎，过20 100目筛备
用；
2)将两种生物质按照一定质量比混合置于电炉内，在300 600°C下50 150ml/min 的氮气保护下热解I 5小时，冷却至室温，研磨，过50 150目筛；
3)将碳化粉末先用按体积比I I混合的(0. 5 lmol/L)HC1和(0. 5 lmol/L) HF清洗2 4次，最后用去离子水清洗至中性pH。烘干，既得新型生物炭。一种优化的条件如下所述
上述步骤I中，烘干温度为100 120°C，烘干10 30h，过50 100目筛；
上述步骤2中，氮气速率为80 120mL/min，升温速率5 10°C /min升至350 450°C， 恒温热解I. 5 2. 5h ;
上述步骤2中，冷却时可在40 80mL/min氮气气氛中加速冷却，且防止高温氧化；
上述步骤3中，HCL和HF的浓度可选用0. 8 lmol/L，清洗三次，以去除碳化产物中的硅和无机盐。蒸馏水洗至中性PH后，在105 120°C下烘干。本发明与现有的制备方法相比有以下显著特点和有益效果
I)制备生物炭的原材料方便易得、来源广泛，生物炭制备的过程同时实现了废物资源化。开发了一种制备低成本生物炭的资源。2)这两种废弃物含碳率高且绿色无毒，在制备过程中无污染，不破坏生态环境。3 )互花米草、绿化垃圾产生的季节有所差别，几乎全年都有大量资源可以利用，尤其是每年的5 12月份，使得生物质材料季节性、周期性的不利影响减少。4)制备过程简单、环保、经济，符合可持续发展的要求，有工业化、产业化的巨大前景。
图I工艺流程图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进行详细说明
实施例I
I.工艺流程图见图I。将互花米草去根，互花米草、绿化垃圾两种生物质用蒸馏水洗净，风干。将风干后置于烘箱中于105°C下烘干，烘干时间为15h，然后用粉碎机粉碎，得到50目的粉末。2.互花米草、绿化垃圾粉末以1:1的质量比混合，置于管式炉内，在氮气IOOmL/ min的气氛下，以5°C /min的速率升至300°C，恒温热解2h。继续通入50mL/min的氮气冷却至室温，研磨，过50目筛。3.碳化粉末用按照体积比I: I混合的lmol/LHCl和lmol/LHF清洗三次，后清水洗至PH中性，110°C烘干，既得生物炭。产率为43%，得到生物炭BC-I。实施例2 :其他步骤同实施例1，热解氮气速率为120mL/min，热解温度为400°C，热解I. 5小时。产率为40%，得到生物炭BC-2。实施例3 :其他步骤同实施例2，热解温度为500°C。产率为39%，得到生物炭BC-3。实施例4 :其他条件同实施例2，两种种生物质的混合比例改为3:1，热解氮气速率为100ml/min，碳化产物过100目筛。产率为40%，得到生物炭BC-4。实施例5 :其他条件同实施例2，两种生物质的混合比例改为1:3。产率为39%，得到生物炭BC-5。实施例6 :其他条件同实施例4，热解温度为500°C，两种生物质的混合比例改为 1:5。产率为38%，得到生物炭BC-6。实施例7 :其他条件同实施例6，两种生物质的混合比例改为5:1。产率为39%，得到生物炭BC-7。实施例8 :将得到的生物炭BC-I BC-7按2g/L的剂量投机到含100mg/g的铜离子和100mg/g的铅离子的废水中，pH调节到5 6，经12 30小时的平衡，铜的去除率大于70%，铅的去除率大于80%。实施例9 :将得到的生物炭BC-I BC-7按2g/L的剂量投机到含50mg/g的铜离子和50mg/g的铅离子的废水中，pH调节到5 6，经12 30小时的平衡，铜的去除率大于 95%，铅的去除率大于95%。
权利要求
1.生物炭的制备方法，其特征在于该方法具有以下步骤.1)互花米草去根，将互花米草、绿化垃圾清洗干净，烘干，粉碎，过20 100目筛备用；.2)将步骤I)中的两种生物质按照一定质量比混合置于电炉内，在300 600°C、50 150ml/min的氮气保护下热解I 5小时，冷却至室温，研磨，过50 150目筛，得到碳化粉末；.3)将碳化粉末先用体积比I:I混合的0. 5 lmol/L HCl和0. 5 lmol/L HF清洗 2 4次，最后用去离子水清洗至中性；烘干，即得生物炭。
2.根据权利要求I所述的生物炭的制备方法，其特征在于步骤I)中的烘干温度为 100 120°C，烘干时间为10 30h。
3.根据权利要求I所述的生物炭的制备方法，其特征在于步骤2)中两种生物质的混合质量比为1:5 5: I。
4.根据权利要求I所述的生物炭的制备方法，其特征在于热解温度为350 450°C，氮气速率80 120°C /min，热解时间I 2h。
5.根据权利要求I所述的生物炭的制备方法，其特征在于HCl和HF的浓度均为0.8 lmol/L。
6.根据权利要求I所述的生物炭的制备方法，其特征在于步骤3)中的烘干温度为 105 120°C。
全文摘要
本发明属于生物质的资源化利用，具体涉及利用入侵植物和绿化垃圾生产生物炭的方法。利用的原料有互花米草、落叶、树枝树干这几种生物废弃有机物。其步骤将互花米草去根，与绿化垃圾清洗、烘干后粉碎；得到的生物质粉末按照一定质量比混合制得混合粉末，在氮气保护下300～600℃热解1～4h，冷却至室温研磨过筛；将碳化产物，用体积比1:1的HCl/HF清洗，后用蒸馏水清洗至中性pH，烘干，既得新型生物炭产品。本发明以高含碳量的互花米草和绿化垃圾为原料，克服了原料季节性、周期性的缺点，制备方法简单易行、成本低廉，制得的产品吸附性能好、用途广泛，实现了入侵植物和绿化垃圾的资源化利用，取得了良好的生态、社会、经济效益。
文档编号C01B31/02GK102602913SQ20121007818
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者刘强, 张亚萍, 易鹏, 李密, 郭丽晶 申请人:上海大学