[发明专利]一种生物炭复合材料的制备方法及其产品

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：