一种生物质炭的制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109850867 A(43)申请公布日 2019.06.07

(21)申请号 201910110787.X(22)申请日 2019.02.12

(71)申请人 中国环境科学研究院

地址 100012 北京市朝阳区洼里乡大羊坊8

号

申请人 北京林业大学

(72)发明人 夏会娟　孔维静　刘录三　林岿璇　

刘云龙　李红丽　(74)专利代理机构 北京名华博信知识产权代理

有限公司 11453

代理人 李冬梅　苗源(51)Int.Cl.

C01B 32/05(2017.01)B01J 20/20(2006.01)B01J 20/28(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图2页

B01J 20/30(2006.01)C02F 1/28(2006.01)C02F 101/20(2006.01)

CN 109850867 A(54)发明名称

一种生物质炭的制备方法(57)摘要

本发明公开了一种生物质炭的制备方法，包括以下步骤：S1将生物质放入坩埚中，压实，并用锡箔纸包裹坩埚，加盖后将坩埚置于箱式马弗炉中；S2开启升温模式，以5-10℃/min的升温速率将温度升温至第一预定温度，并恒温维持第一预定温度1-2h，使锡箔纸内的生物质均匀受热；S3继续启动升温模式，以升温速率Q将第一预定温度升至第二预定温度，并恒温维持第二预定温度0.5～4h，使锡箔纸内的生物质充分炭化成为生物质炭；S4马弗炉温度降至200℃以下，取出锡箔纸包裹的生物质炭在干燥环境中冷却至室温。通过选用生物质原料、控制热解时间、热解温度和升温速率，生产出具有良好疏水性、方向性和更大比表面积的生物质炭，具有良好的去除无机、有机污染物的能力。

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权　利　要　求　书

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1.一种生物质炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1将生物质放入坩埚中，压实，并用锡箔纸包裹坩埚，加盖后将坩埚置于箱式马弗炉中；

S2开启升温模式，以5-10℃/min的升温速率将温度升温至第一预定温度，并恒温维持第一预定温度1-2h，使锡箔纸内的生物质均匀受热；

S3继续启动升温模式，以升温速率Q将第一预定温度升至第二预定温度，并恒温维持第二预定温度0.5～4h，使锡箔纸内的生物质充分炭化成为生物质炭；

S4马弗炉温度降至200℃以下，取出锡箔纸包裹的生物质炭在干燥环境中冷却至室温。2.如权利要求1所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述第一预定温度为100～200℃。

3.如权利要求1所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述升温速率Q根据所述第二预定温度设定；

所述第二预定温度为100～500℃时，升温速率Q设定为5-10℃/min；所述第二预定温度为500℃～800℃，升温速率Q设定为10-20℃/min；所述第二预定温度大于800℃，升温速率Q设定为5-10℃/min。4.如权利要求3所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述第二预定温度为100～500℃时，升温速率Q设定为5℃/min；所述第二预定温度为500℃～800℃，升温速率Q设定为10℃/min；所述第二预定温度大于800℃，升温速率Q设定为5℃/min。5.如权利要求3所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述第二预定温度为400～600℃。

6.如权利要求3所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，

所述步骤S1中所述箱式马弗炉中均匀放置多个装有生物质的所述坩埚，所述坩埚在所述箱式马弗炉中的填充量为70％-90％。

7.如权利要求1-6中任一项所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述步骤S1之前进一步包括预处理步骤：

a、清洗所述生物质去除其中的杂质；b、清洗所述生物质2-3次后干燥所述生物质；c、切割干燥后的所述生物质，将所述生物质切割成长度小于5mm。8.如权利要求7所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述步骤S4后进一步包括后处理步骤S5：将冷却的生物质炭研磨成粉末，过100目筛。

9.如权利要求8所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述生物质为草质生物质。10.如权利要求9所述的生物质炭的制备方法，其特征在于，所述草质生物质为互花米草。

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说　明　书

一种生物质炭的制备方法

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技术领域

[0001]本发明涉及生物质循环利用技术领域，尤其涉及一种生物质炭的技术领域。背景技术

[0002]生物质炭(biochar)是指生物质在低温(小于700℃)条件下隔绝氧气热解生成的一类含碳丰富的固体物质。生物质炭具有良好的生物、化学稳定性，具有比表面积大，多孔结构等特性，在土壤改良及环境修复领域的应用正越来越受到人们的关注。生物质炭对污染物具有较强的吸附能力，被广泛应用于水体、土壤和大气环境修复。生物质炭添加到土壤中不仅可以去除污染物，还可以改良土壤的物理(如持水性、曝氧能力和湿度)、化学(如污染物迁移和碳固定)和生物性质(如微生物丰度、多样性和活性)，最终改善土壤的总体健康状况。生物质炭的制备温度与前体材料的不同均会影响生物质炭的环境功能。高温制备的生物质炭由于具有高芳香性和低的极性使其能够更好地吸附水中的三氯乙烯，不同的前体材料制备的生物质炭会对污染物质的吸附能力产生较明显的影响。生物质炭的高度芳香化结构使其具有更高的化学和生物稳定性。

[0003]由于生物质炭的制备需要在无氧或缺氧条件下，管式马弗炉成为实验室常用的生物质炭制备的仪器。管式马弗炉可以持续通入氮气，营造无氧条件，但管式马弗炉可利用空间小，单次制备的生物质炭量较少，需多次烧制才能满足实验需求。相比而言，箱式马弗炉空间大，单次可制备多种、大量的生物质炭，大大缩短了生物质炭制备时间，提高工作效率。但由于箱式马弗炉不能通入惰性气体，在高温热解过程中会造成生物质炭原材料氧化，生物质炭产率降低。[0004]因此，提供一种减小生物质炭原材料与氧气的接触，在隔绝氧气的条件下，使用箱式马弗炉制备生物质炭的方法是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质炭的制备方法，通过选用生物质原料、控制热解时间、热解温度和升温速率，生产出具有良好疏水性、方向性和更大比表面积的生物质炭，具有良好的去除无机、有机污染物的能力。[0006]根据本发明的一个方面，提供一种生物质炭的制备方法，包括以下步骤：S1将生物质放入坩埚中，压实，并用锡箔纸包裹坩埚，加盖后将坩埚置于箱式马弗炉中；S2开启升温模式，以5-10℃/min的升温速率将温度升温至第一预定温度，并恒温维持第一预定温度1-2h，使锡箔纸内的生物质均匀受热；S3继续启动升温模式，以升温速率Q将第一预定温度升至第二预定温度，并恒温维持第二预定温度0.5～4h，使锡箔纸内的生物质充分炭化成为生物质炭；S4马弗炉温度降至200℃以下，取出锡箔纸包裹的生物质炭在干燥环境中冷却至室温。

[0007]可选择地，第一预定温度为100～200℃。[0008]可选择地，升温速率Q根据第二预定温度设定。

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CN 109850867 A[0009]

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可选择地，第二预定温度为100～500℃时，升温速率Q设定为5-10℃/min。

[0010]可选择地，第二预定温度为500℃～800℃，升温速率Q设定为10-20℃/min。[0011]可选择地，第二预定温度大于800℃，升温速率Q设定为5-10℃/min。[0012]可选择地，第二预定温度为100～500℃时，升温速率Q设定为5℃/min；[0013]可选择地，第二预定温度为500℃～800℃，升温速率Q设定为10℃/min；[0014]可选择地，第二预定温度大于800℃，升温速率Q设定为5℃/min。[0015]可选择地，第二预定温度为400～600℃。[0016]可选择地，步骤S1中箱式马弗炉中均匀放置多个装有生物质的坩埚，坩埚在箱式马弗炉中的填充量为70％-90％。[0017]可选择地，步骤S1之前进一步包括预处理步骤：a、清洗生物质去除其中的杂质；b、清洗生物质2-3次后干燥生物质；c、切割干燥后的生物质，将生物质切割成长度小于5mm。[0018]可选择地，步骤S4后进一步包括后处理步骤S5：将冷却的生物质炭研磨成粉末，过100目筛。

[0019]可选择地，生物质为草质生物质。[0020]可选择地，草质生物质为互花米草。[0021]其中，第一预定温度为生物质炭的预热温度，温度控制在100～200℃范围内，生物质炭的各组分不会发生明显变化，保温时间控制在1-2h即可使生物质均匀受热；保温时间过短，生物质受热不均匀，导致同批制备的生物质炭性质存在差异；保温时间过长，会造成时间的浪费。

[0022]第二预定温度是生物质炭的热解温度，通过慢速热解制备生物质炭的温度通常控制在400～600℃，热解时间通常控制在0.5-4h；温度过低或保温时间过短时，生物质炭分解不完全，比表面积和吸附能力低；温度过高或保温时间过长时，生物质炭产率低。[0023]本发明的生物质炭的制备方法中，升温速率要根据仪器性能和应用需求设定，通常箱式马弗炉的升温速率为5～20℃，升温速率过低，会导致升温时间延长；升温速率过高，极易导致仪器的损耗和生物质炭热解不均匀。

[0024]本发明中优选互花米草作为生物质原料制备生物质炭，互花米草作为一种滨海植物资源，营养成分十分丰富，含有大量粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、钙、磷以及18种氨基酸。另有研究发现，互花米草干物质产量大，是沼气生产的良好原料，且利用互花米草作为基肥，可增加土壤有机质，达到增产的作用。且本发明以互花米草作为生物质原料制备生物质炭，帮助解决互花米草因其繁殖力强，缺少天敌，严重威胁我国滨海湿地土著物种，破坏我国滨海生态系统的问题。

[0025]本发明的有益效果如下：[0026]1、本发明充分利用了互花米草的开发利用价值，对互花米草进行合理的资源化利用，不仅可以遏制其对生态的负面影响，还可使其资源优势得以充分开发。[0027]2、本发明选用合适的温度、通过控制升温速率以及保温时间，制备的生物质炭具有良好的疏水性、方向性和更大比表面积，具有良好的去除无机、有机污染物的能力。[0028]3、本发明提供的生物质炭的制备方法，能够在箱式马弗炉中进行，解决了箱式马弗炉不能通入惰性气体导致生物质氧化的问题。

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附图说明

[0029]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0030]图1是本发明实施例1制备得到的生物质炭孔隙结构的SEM扫描电镜图；[0031]图2是本发明实施例2制备得到的生物质炭孔隙结构的SEM扫描电镜图；[0032]图3是本发明实施例3制备得到的生物质炭孔隙结构的SEM扫描电镜图；[0033]图4是本发明实施例4制备得到的生物质炭孔隙结构的SEM扫描电镜图。

具体实施方式

[0034]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

[0035]一种生物质炭的制备方法，包括以下步骤：[0036]S1、清洗准备好的生物质以去除其中的杂质，用去离子水清洗生物质2-3次，将生物质置于通风处自然风干以去除其中的水分，切割干燥后的生物质，将生物质切割成长度小于5mm。其中，准备的生物质原料优选为草质生物质，在此条件下制备的生物质炭比用生活垃圾和动物粪便等原料制备的生物质炭具有更大的表面积。[0037]更优选地，本发明中选用互花米草作为生物质原料制备生物质炭，在此条件下充分利用互花米草含有的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、钙、磷等氨基酸，采用互花米草为原料制备的生物质炭应用于土壤治理，除了具有良好的治污能力，还可增加土壤的有机质，达到增产的作用。而且，选用互花米草为原料制备生物质炭，能够帮助解决互花米草因其繁殖力强，缺少天敌，严重威胁我国滨海湿地土著物种，破坏我国滨海生态系统的问题。[0038]S2、将生物质放入坩埚，压实，并用锡箔纸包裹坩埚，在此条件下，尽量去除生物质间隙存在的氧气，进一步减小热解过程中生物质氧化的情况。优选地，坩埚中放入尽量多的生物，以减少坩埚中留存有空气造成生物质炭原材料氧化，生物质炭产率降低。盖上坩埚盖子，将坩埚置于箱式马弗炉中，箱式马弗炉中均匀放置多个装有生物质的坩埚，坩埚在箱式马弗炉中的填充量为70％-90％。优选地，坩埚在箱式马弗炉中的填充量为80％-85％，在此条件下，充分利用箱式马弗炉的应用空间，单次可制备多种、大量的生物质炭，大大缩短了生物质炭制备时间，提高工作效率。[0039]S3开启升温模式，以5-10℃/min的升温速率将温度升温至第一预定温度，并恒温维持第一预定温度1-2h，使锡箔纸内的生物质均匀受热，第一预定温度为100-200℃。优选地，以5℃/min的升温速率将温度升温至第一预定温度为100℃，恒温维持第一预定温度1h。[0040]S4继续启动升温模式，以升温速率Q将第一预定温度生物质第二预定温度，并恒温维持第二预定温度0.5～4h，使锡箔纸内的生物质充分炭化成为生物质炭。优选地，第二预定温度为100～500℃时，升温速率Q设定为5-10℃/min；第二预定温度为500℃～800℃，升温速率Q设定为10-20℃/min；第二预定温度大于800℃，升温速率Q设定为5-10℃/min。更优

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选地，第二预定温度为400～600℃。在此条件下制备得到的生物质炭孔隙分布更加均匀、比表面积更大。

[0041]S5马弗炉温度降至200℃以下，取出锡箔纸包裹的生物质炭在干燥环境中冷却至室温。

[0042]S6：将冷却的生物质炭研磨成粉末，过100目筛。[0043]实施例

[0044]表1示出了本发明中生物质炭的制备方法主要工艺参数的部分实施例。[0045]表1生物质炭制备方法工艺参数具体实施例

[0046]

对比测试例

[0048]对实施例1-4制品添加到重金属污染水体中对生物质炭的性能进行了测试。同时针对现有技术中的生物质炭性能数据进行了对比，具体如表2所示。[0049]表2生物质炭性能测试及对比结果

[0047][0050]

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[0051]

其中，对比例1为互花米草干样在管式马弗炉中，350℃温度热解2h制备的生物质

炭；对比例2为芦苇干样在管式马弗炉中，500℃温度热解2h制备的生物质炭。[0053]由表2性能测试数据可以看到，本发明的制备方法制备得到的生物质炭具有更大的比表面积，芳香性、总孔容和镉吸附量方面明显优于现有技术的生物质炭。[0054]综上，本发明的生物质炭的制备方法，通过选用合适的温度、通过控制升温速率以及保温时间，制备的生物质炭具有良好的疏水性、方向性和更大比表面积，具有良好的去除无机、有机污染物的能力。[0055]需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0056]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

图4

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