一種生物炭復合材料的制備方法及其產品技術

本發明專利技術屬于生物炭材料技術領域，具體涉及一種生物炭復合材料的制備方法及其產品。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)對選定的主料和輔料進行干燥處理，而后粉碎，混合主、輔料，并密封存儲一段時間；(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體保護下進行無氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；基于上述方式獲得了在吸水性、比表面積和孔隙率等多種性能均有提升的生物炭復合材料。另外，該生物炭復合材料的制備方法過程簡便，成本低，易于工業化生產。

Method for preparing biological carbon composite material and product thereof

The invention belongs to the technical field of biological carbon materials, in particular to a preparation method of biological carbon composite materials and products thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) using wheat straw as raw material, with at least two kinds of corn stalk, rice straw and cotton stalk as the material, quality and percentage of each component is as follows: 50 60% corn straw, rice straw is not higher than 36%, not more than 28%, the cotton stalk is not higher than 16%; (2) the main material and the auxiliary material is dried, crushed and mixed, the main and auxiliary materials, and sealed storage for a period of time; (3) the step (2) of pyrolysis under the protection of inert gas mixture in the material, and then cooled to room temperature in an inert gas atmosphere; based on the above obtained the water absorption, surface area and porosity and other properties were improved biological carbon composites. In addition, the preparation method of the biological carbon composite material has the advantages of simple and convenient process, low cost and easy industrial production.

【技術實現步驟摘要】
一種生物炭復合材料的制備方法及其產品
本專利技術屬于生物炭材料
，具體涉及一種生物炭復合材料的制備方法及其產品。
技術介紹
生物炭(biochar)是生物質在無氧或少氧環境中經熱解反應后的固體產物，其具有發達的孔隙結構、較高的比表面積和芳香族結構。生物炭(biochar)主要作為土壤改良劑和吸收劑用于農林業土壤，其可以改善土壤理化特性，吸收土壤中的污染元素，實現土壤炭固定和修復污染土壤，解決土壤的生態問題，提高農作物品質，并且可以減少溫室氣體排放。我國每年都會產生大量的農業生物質，其中以麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種產量最大，但是我國農業生物質資源利用率還比較低下，大量的農業生物質直接在農田進行焚燒，造成了嚴重的環境污染。利用農業生物質制備生物炭材料不僅可以有效提高農業生物質的利用價值，為農業生物質找到一條有效的利用途徑，而且可以解決土壤生態問題，減少環境污染和碳排放，是一種擁有廣闊前景的技術。但是采用農業生物質制備生物炭材料技術還存在以下問題：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；但是由于每種農業生物質秸稈的理化特性不同，對某些種類農業生物質如棉桿來說，難以制備出高吸水性生物炭材料，其他種類農業生物質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，決定著其對土壤的修復效果，由于每種農業生物質秸稈的理化特性不同，對某些種類農業生物質如棉桿和稻桿來說，難以制備出較高比表面積和孔隙率的生物炭材料，其他種類農業生物質制備生物炭的比表面積和孔隙率也有待提高。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種生物炭復合材料的制備方法及其產品，通過選用多種農業生物質作為原材料在粉碎后進行無氧熱解處理，得到高吸水性、高比表面積的生物炭復合材料。為實現上述目的，按照本專利技術，提供了一種生物炭復合材料的制備方法，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)對選定的主料和輔料進行干燥處理，而后粉碎，混合主、輔料，并密封存儲一段時間；(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體氛圍下進行無氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；基于上述方式，通過選用多種農業生物質作為原材料在粉碎后進行無氧熱解處理，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合材料。生物質的無氧熱解過程是復雜的化學反應，其孔結構、元素種類及含量等對熱解產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、表面官能團和可溶性元素含量等，不同生物質的混合熱解促使熱解反應獲得更優質的炭產物，本專利技術的復合材料基于上述多種農業生物質的理化特性及熱解過程之間的交互作用，汲取了四種農業生物質的理化特性優勢，綜合提高了吸水性、比表面積、孔隙率和營養元素，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值。另外，在制備過程中，對多種農業生物質先粉碎再炭化，保證了制得的生物炭結構的均勻性。優選地，步驟(2)中主料和輔料干燥至含水量為6％-10％。優選地，步驟(2)中主料和輔料粉碎至粒徑不大于0.25mm。優選地，步驟(2)中主料和輔料的密封存儲時間的設定標準為：當環境溫度在10℃以下時，密封存儲60天；當環境溫度在25℃以下時，密封存儲30天；當環境溫度高于25℃時，密封存儲15天。適當的生物質存儲時間和環境溫度保證生物質的理化特性不發生變化。優選地，步驟(3)中熱解溫度區間為500℃-600℃。優選地，步驟(3)中熱解反應時間為30min-40min。優選地，步驟(3)中惰性氣體選用氮氣，且流速為0.25-0.4m/s，更優選地，流速為0.32m/s。由于生物質熱解產物有炭、氣和油三種，產生的氣是熱解氣體，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，在熱解過程中熱解氣和氣態油被流通的氮氣帶走，從而保證炭孔隙不被堵塞。適宜的生物質含水量和粒徑、熱解溫度和熱解時間等熱解條件有利于熱解反應過程中物質的分解與形成，獲得優質的炭產物。按照本專利技術的另一方面，提供了一種復合材料，按上述制備方法制備得到?？傮w而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：(1)該復合材料依靠四種農業生物質的交互作用，汲取了四種農業生物質的理化特性優勢，綜合提高了生物炭的吸水性、比表面積、孔隙率和營養元素，應用于土壤改良及修復的效果更好，有利于土壤生態環境的修復。(2)本專利技術中制備方法過程簡便、可控制，成本較低，易于工業化和商品化生產，具有較好的應用前景。附圖說明圖1是本專利技術復合材料與單個生物質制得生物炭材料的吸水平衡含水量對比圖；圖2是中專利技術復合材料與單個生物質制得生物炭材料的比表面積和孔隙率對比圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。本專利技術提供了一種生物炭復合材料的制備方法，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)對選定的主料和輔料進行干燥處理，而后粉碎、混合主、輔料，并密封存儲一段時間；(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體保護下進行無氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；基于上述方式，通過選用多種農業生物質作為原材料在粉碎后進行無氧熱解處理，得到生物炭復合材料。優選地，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，密封存儲時間的設定標準如下：當環境溫度在10℃以下時，密封存儲60天；當環境溫度在25℃以下時，密封存儲30天；當環境溫度高于25℃時，密封存儲15天；步驟(3)中熱解溫度區間為500℃-600℃，熱解反應時間為30min-40min，惰性氣體選用氮氣，且流速為0.25-0.4m/s，更優選為0.32m/s。具體實施例如下實施例1按照上述制備方法制備生物炭復合材料，具體參數如下：選用麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農業生物質作為原材料，混合的質量百分比例為麥稈50％、玉米桿24％、稻桿18％和棉桿8％；麥稈、玉米桿、稻桿和棉桿四種農業生物質干燥至含水量為6％-10％，破碎后篩分出的原料粒徑在0.25mm以下，在25℃密封存儲30天，熱解溫度為550℃，熱解反應時間為30min，通入的無氧保護氣N2氣流速為0.32m/s。由此制備得到生物炭復合材料。針對得到的上述生物炭復合材料，圖1和圖2分別提供了該生物炭復合材料與四種單獨的農業生物質在吸水平衡含水量、比表面積和孔隙率三種性能參數的對比。由圖1和圖2可以看出，本專利技術制備的生物炭復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均明顯優于四種單獨的農業生物質，通過將多種農業生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生物炭復合材料的制備方法，其特征在于：所述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)對選定的主料和輔料進行干燥處理，而后粉碎，混合所述主、輔料，并密封存儲一段時間；(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體保護下進行無氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；基于上述方式，通過選用多種農業生物質作為原材料在粉碎后進行無氧熱解處理，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所述生物炭復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種生物炭復合材料的制備方法，其特征在于：所述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)對選定的主料和輔料進行干燥處理，而后粉碎，混合所述主、輔料，并密封存儲一段時間；(3)將步驟(2)中得到的混合料在惰性氣體保護下進行無氧熱解，而后在惰性氣體氛圍中冷卻至室溫；基于上述方式，通過選用多種農業生物質作為原材料在粉碎后進行無氧熱解處理，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所述生物炭復合材料。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中主料和輔料干燥至含水量為6％-10％。3.如權利要求1所述的制備方法，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳漢平，林貴英，張雄，梅艷陽，劉英鵬，楊海平，邵敬愛，王賢華，張世紅，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42