一种生物炭复合材料的制备方法及其产品与流程

本发明属于生物炭材料技术领域，具体涉及一种生物炭复合材料的制备方法及其产品。

背景技术：

生物炭(biochar)是生物质在无氧或少氧环境中经热解反应后的固体产物，其具有发达的孔隙结构、较高的比表面积和芳香族结构。生物炭(biochar)主要作为土壤改良剂和吸收剂用于农林业土壤，其可以改善土壤理化特性，吸收土壤中的污染元素，实现土壤炭固定和修复污染土壤，解决土壤的生态问题，提高农作物品质，并且可以减少温室气体排放。

我国每年都会产生大量的农业生物质，其中以麦秆、玉米杆、稻杆和棉杆四种产量最大，但是我国农业生物质资源利用率还比较低下，大量的农业生物质直接在农田进行焚烧，造成了严重的环境污染。利用农业生物质制备生物炭材料不仅可以有效提高农业生物质的利用价值，为农业生物质找到一条有效的利用途径，而且可以解决土壤生态问题，减少环境污染和碳排放，是一种拥有广阔前景的技术。但是采用农业生物质制备生物炭材料技术还存在以下问题：1、高吸水性生物炭材料可以有效保留土壤中的水分，是决定土壤改良效果的重要因素之一；但是由于每种农业生物质秸秆的理化特性不同，对某些种类农业生物质如棉杆来说，难以制备出高吸水性生物炭材料，其他种类农业生物质制备生物炭的吸水性也有待提高；2、比表面积和孔隙率决定着生物炭的吸附能力，决定着其对土壤的修复效果，由于每种农业生物质秸秆的理化特性不同，对某些种类农业生物质如棉杆和稻杆来说，难以制备出较高比表面积和孔隙率的生物炭材料，其他种类农业生物质制备生物炭的比表面积和孔隙率也有待提高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物炭复合材料的制备方法及其产品，通过选用多种农业生物质作为原材料在粉碎后进行无氧热解处理，得到高吸水性、高比表面积的生物炭复合材料。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种生物炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以麦秆为主料，以玉米杆、稻杆和棉杆中的至少两种作为辅料，且各组分的质量百分比依次为：麦秆50-60％，玉米杆不高于36％，稻杆不高于28％，棉杆不高于16％；

(2)对选定的主料和辅料进行干燥处理，而后粉碎，混合主、辅料，并密封存储一段时间；

(3)将步骤(2)中得到的混合料在惰性气体氛围下进行无氧热解，而后在惰性气体氛围中冷却至室温；

基于上述方式，通过选用多种农业生物质作为原材料在粉碎后进行无氧热解处理，由此获得在吸水性、比表面积和孔隙率等多种性能方面均有提升的生物炭复合材料。

生物质的无氧热解过程是复杂的化学反应，其孔结构、元素种类及含量等对热解产物的理化特性具有重要影响，主要影响炭材料的理化特性-比表面积、孔隙率、表面官能团和可溶性元素含量等，不同生物质的混合热解促使热解反应获得更优质的炭产物，本发明的复合材料基于上述多种农业生物质的理化特性及热解过程之间的交互作用，汲取了四种农业生物质的理化特性优势，综合提高了吸水性、比表面积、孔隙率和营养元素，可作为土壤改良剂、肥料缓释载体、吸附剂和催化剂等，使炭材料具有不同的利用方式及较高的利用价值。另外，在制备过程中，对多种农业生物质先粉碎再炭化，保证了制得的生物炭结构的均匀性。

优选地，步骤(2)中主料和辅料干燥至含水量为6％-10％。

优选地，步骤(2)中主料和辅料粉碎至粒径不大于0.25mm。

优选地，步骤(2)中主料和辅料的密封存储时间的设定标准为：当环境温度在10℃以下时，密封存储60天；当环境温度在25℃以下时，密封存储30天；当环境温度高于25℃时，密封存储15天。适当的生物质存储时间和环境温度保证生物质的理化特性不发生变化。

优选地，步骤(3)中热解温度区间为500℃-600℃。

优选地，步骤(3)中热解反应时间为30min-40min。

优选地，步骤(3)中惰性气体选用氮气，且流速为0.25-0.4m/s，更优选地，流速为0.32m/s。由于生物质热解产物有炭、气和油三种，产生的气是热解气体，主要成分是甲烷、一氧化碳、氢气和烯烃等气体，油在高温下为气态，在热解过程中热解气和气态油被流通的氮气带走，从而保证炭孔隙不被堵塞。

适宜的生物质含水量和粒径、热解温度和热解时间等热解条件有利于热解反应过程中物质的分解与形成，获得优质的炭产物。

按照本发明的另一方面，提供了一种复合材料，按上述制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)该复合材料依靠四种农业生物质的交互作用，汲取了四种农业生物质的理化特性优势，综合提高了生物炭的吸水性、比表面积、孔隙率和营养元素，应用于土壤改良及修复的效果更好，有利于土壤生态环境的修复。

(2)本发明中制备方法过程简便、可控制，成本较低，易于工业化和商品化生产，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明复合材料与单个生物质制得生物炭材料的吸水平衡含水量对比图；

图2是中发明复合材料与单个生物质制得生物炭材料的比表面积和孔隙率对比图。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种生物炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以麦秆为主料，以玉米杆、稻杆和棉杆中的至少两种作为辅料，且各组分的质量百分比依次为：麦秆50-60％，玉米杆不高于36％，稻杆不高于28％，棉杆不高于16％；

(2)对选定的主料和辅料进行干燥处理，而后粉碎、混合主、辅料，并密封存储一段时间；

(3)将步骤(2)中得到的混合料在惰性气体保护下进行无氧热解，而后在惰性气体氛围中冷却至室温；

基于上述方式，通过选用多种农业生物质作为原材料在粉碎后进行无氧热解处理，得到生物炭复合材料。

优选地，步骤(2)中主料和辅料干燥至含水量为6％-10％，粉碎至粒径不大于0.25mm，密封存储时间的设定标准如下：当环境温度在10℃以下时，密封存储60天；当环境温度在25℃以下时，密封存储30天；当环境温度高于25℃时，密封存储15天；步骤(3)中热解温度区间为500℃-600℃，热解反应时间为30min-40min，惰性气体选用氮气，且流速为0.25-0.4m/s，更优选为0.32m/s。

具体实施例如下

实施例1

按照上述制备方法制备生物炭复合材料，具体参数如下：选用麦秆、玉米杆、稻杆和棉杆四种农业生物质作为原材料，混合的质量百分比例为麦秆50％、玉米杆24％、稻杆18％和棉杆8％；麦秆、玉米杆、稻杆和棉杆四种农业生物质干燥至含水量为6％-10％，破碎后筛分出的原料粒径在0.25mm以下，在25℃密封存储30天，热解温度为550℃，热解反应时间为30min，通入的无氧保护气N₂气流速为0.32m/s。由此制备得到生物炭复合材料。

针对得到的上述生物炭复合材料，图1和图2分别提供了该生物炭复合材料与四种单独的农业生物质在吸水平衡含水量、比表面积和孔隙率三种性能参数的对比。由图1和图2可以看出，本发明制备的生物炭复合材料的吸水平衡含水量、比表面积和孔隙率三种性能参数均明显优于四种单独的农业生物质，通过将多种农业生物质原材料结合，制备得到的生物炭复合材料表现出了更加优秀的性能。

实施例2

按照上述制备方法制备生物炭复合材料，具体参数如下：选用麦秆、玉米杆和棉杆三种农业生物质作为原材料，混合的质量百分比例为麦秆55％、玉米杆36％和稻杆9％；麦秆、玉米杆和稻杆三种农业生物质干燥至含水量为6％-10％，破碎后筛分出的原料粒径在0.25mm以下，在10℃密封存储60天，热解温度为500℃，热解反应时间为40min，通入的无氧保护气N₂气流速为0.25m/s。由此制备得到生物炭复合材料。

实施例3

按照上述制备方法制备生物炭复合材料，具体参数如下：选用麦秆、稻杆和棉杆三种农业生物质作为原材料，混合的质量百分比例为麦秆60％、稻杆28％和棉杆12％；麦秆、稻杆和棉杆三种农业生物质干燥至含水量为6％-10％，破碎后筛分出的原料粒径在0.25mm以下，在30℃密封存储15天，热解温度为600℃，热解反应时间为30min，通入的无氧保护气N₂气流速为0.4m/s。由此制备得到生物炭复合材料。

实施例4

按照上述制备方法制备生物炭复合材料，具体参数如下：选用麦秆、玉米杆和棉杆三种农业生物质作为原材料，混合的质量百分比例为麦秆53％、玉米杆31％、棉杆16％；麦秆、玉米杆和棉杆四种农业生物质干燥至含水量为6％-10％，破碎后筛分出的原料粒径在0.25mm以下，在20℃密封存储30天，热解温度为530℃，热解反应时间为35min，通入的无氧保护气N₂气流速为0.32m/s。由此制备得到生物炭复合材料。

实施例5

按照上述制备方法制备生物炭复合材料，具体参数如下：选用麦秆、玉米杆、稻杆和棉杆四种农业生物质作为原材料，混合的质量百分比例为麦秆57％、玉米杆20％、稻杆13％和棉杆10％；麦秆、玉米杆、稻杆和棉杆四种农业生物质干燥至含水量为6％-10％，破碎后筛分出的原料粒径在0.25mm以下，在8℃密封存储60天，热解温度为570℃，热解反应时间为32min，通入的无氧保护气N₂气流速为0.32m/s。由此制备得到生物炭复合材料。

在上述实施例中，该生物炭复合材料的制备方法中的各种参数如原材料的质量百分比、热解温度、热解时间、N₂流速等参数仅用于示例和解释，本发明的方案并不限于上述具体的数值、具体的材料组合，上述所有实施例中的参数只要在权利要求书所述的范围内，均属于本发明的保护范围。

由上述实施例可知，本发明制备的生物炭复合材料基于上述多种农业生物质的理化特性及热解过程之间的交互作用，汲取了四种农业生物质的理化特性优势，综合提高了吸水性、比表面积、孔隙率和营养元素。

本领域的技术人员容易理解，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。