CN108315354B - 利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法及其制备的生物炭的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆糖化残渣制备的生物炭及其作为土壤改良剂的应用。属于农作物废弃物秸秆的综合利用技术及生物炭的制备技术领域。其方法步骤包括：将秸秆粉碎；利用纤维素酶通过糖化过程处理上述的秸秆粉粒；处理完成后，通过离心或过筛收集糖化残渣；干燥的糖化残渣，其主要成分为木质素，将其作为制备生物炭的原材料；由糖化残渣制备生物炭的方法，是将得到的糖化残渣放置于加热设备中，在厌氧环境下，300‑600℃处理不低于2小时及以上，最终获得生物炭。利用本发明得到的生物炭，可将其作为土壤改良剂使用，优于直接将秸秆制成的生物炭，能提高秸秆资源化的经济价值，而且将进一步减少甚至达到秸秆资源利用的二氧化碳零排放。

Description

利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法及其制备的生物炭的 应用
技术领域
本发明涉及一种农作物废弃物秸秆的综合利用方法，特别是涉及一种利用秸秆制备生物炭的方法及其制备的生物炭的应用，应用于农作物废弃物秸秆的资源化和二氧化碳减少排放处理方法技术领域。
背景技术
木质纤维素是地球上最广泛存在的生物质，其包括有树木、秸秆和木材废弃物等等。有效地转化木质纤维素为能源、材料和化学品,不仅可以减少人类对石油的依赖，还可以减少二氧化碳排放。目前，研究较多的是将木质纤维素转化为生物能源(如乙醇)和生物炭。
我国年产农作物秸秆约7亿吨，但这些秸秆没有被充分利用，反而因为如秸秆的焚烧造成了不少环境问题，如秸秆焚烧是雾霾形成原因之一。秸秆主要由纤维素、半纤维素、及木质素构成。通过生物炼制工艺可以把秸秆转化为有用物质。然而，由于秸秆结构复杂，其生物转化需要多重预处理工艺及多种酶的协同作用，导致秸秆的生物转化成本居高不下。因此，如果能够发现秸秆的高附加值产品并从秸秆中高效地回收，就可以大大提高秸秆的经济价值，从而解决秸秆的处理难题。另一方面，生物炼制中主要利用的是秸秆中的纤维素和半纤维素，如秸秆产生物乙醇过程中产生的糖化残渣，其主要成分就是木质素。由于木质素的稳定特性，这些糖化残渣难以被进一步生物降解和分解。但若将这些糖化残渣制成生物炭，则可作为一种高附加值产品，进而降低秸秆的生物转化成本，这成为亟待解决的技术问题。
秸秆制成的生物炭可被应用于土壤改良，这些生物炭本身也起到了碳封存的效果。但这些生物炭对土壤碳汇能力的影响是不确定的，一方面它可以增强土壤对二氧化碳的吸收。另一方面，其自身会释放出一些有机物，这些有机物还会增强土壤呼吸，从而使整个土壤释放的二氧化碳也上升。秸秆在被制成生物炭的过程中，会损失一部分碳，这些碳生成了如焦油气体等物质。在秸秆的三个主要成分中，木质素的热解特性是最为稳定的，在900度以下，它的分解不仅困难而且缓慢。所以如果以木质素含量高的原材料制备生物炭，该生物炭的性质应该是更为稳定的，如在土壤环境中释放的有机物较少。而且制备过程中，流失的碳也会较少。所以以糖化残渣制备生物炭，不仅解决了糖化残渣的处理，使其转化成了高附加值产品；而且其制成的生物炭用于土壤改良，其效果可能要优于直接将秸秆制成的生物炭，这些可能改变目前的对秸秆生物资源的利用不足和效果不佳的现状。目前秸秆生物炼制的其主要问题是纤维素酶成本高，所制备的产品附加值不够理想。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法及其制备的生物炭的应用，将废弃的秸秆糖化残渣转化成有高附加值的生物炭，且该生物炭不仅作为土壤改良剂的效果要优于直接将秸秆制成的生物炭，而且整个制备工艺中流失的碳也较少，进而形成秸秆资源化的二氧化碳零排放处理方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法，包括如下步骤：
a.将秸秆粉碎至粒径不大于1mm，得到秸秆粉粒；优选上述秸秆为水稻、小麦、大麦和玉米的任一种秸秆或者多种作物的秸秆的混合原料；
b.利用纤维素酶，通过糖化过程处理在所述步骤a中制备的秸秆粉粒；
c.在所述步骤b中进行糖化过程处理完成后，通过离心或过筛收集糖化残渣；
d.对在所述步骤c中得到的糖化残渣进行干燥，干燥的糖化残渣主要成分为木质素，将糖化残渣作为制备生物炭的原材料备用；
e.将在所述步骤d中得到的干燥的糖化残渣放置于加热设备中，在厌氧环境下，在300-600℃下进行高温处理不低于2小时，最终获得生物炭，即由糖化残渣制备生物炭。优选使糖化残渣在500-600℃下进行高温处理不低于2小时，制备生物炭。
一种本发明利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法制备的生物炭的应用，将所制备的生物炭作为土壤改良剂。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明克服了现有技术秸秆生物炼制采用纤维素酶成本高的主要问题，本发明将糖化残渣制备成生物炭，不仅解决了糖化残渣的处理，使其转化成了高附加值产品；
2.本发明制成的生物炭用于土壤改良，其效果可能要优于直接将秸秆制成的生物炭；
3.本发明将提高秸秆资源化的经济价值，而且将进一步减少甚至达到秸秆资源利用的二氧化碳零排放。
附图说明
图1为本发明实施例一不同温度处理条件下制备的生物炭含碳量图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法，包括如下步骤：
a.水稻秸秆来自上海崇明岛，将水稻秸秆在60℃下烘干，用粉碎机进行粗磨，将水稻秸秆粉碎至粒径为1mm，得到秸秆粉粒；
b.向在所述步骤a中粗磨后的秸秆粉粒中加入纤维素酶，在30℃、200转/分钟的摇床中进行糖化24小时，利用纤维素酶通过糖化过程处理秸秆粉粒，得到产物混合物；
c.在所述步骤b中进行糖化过程处理完成后，将产物混合物通过离心或过筛收集糖化残渣；
d.对在所述步骤c中得到的糖化残渣在60℃下进行干燥，干燥的糖化残渣主要成分为木质素，将糖化残渣作为制备生物炭的原材料备用；
e.将在所述步骤d中得到的干燥的糖化残渣放置于管式炉加热设备中，在厌氧环境下，分别在300℃、500℃和600℃下进行高温处理2小时，最终获得不同温度处理条件下制备的生物炭。
将本实施例制备的一系列生物炭作为样品，与仅经过粗磨后的秸秆直接制成的生物炭作为对比。通过总有机碳分析仪，对各生物炭的碳含量进行检测，能得到糖化残渣制备成的生物炭的碳含量。
本实施例分析结果：生物炭本身的特点就是其含碳量高，而且稳定。如图1所示，本实施例制备的生物炭制备过程中，制备温度的不同造成了所制备的生物炭含碳量的不同，随着制备温度的上升，其含碳量也上升。根据目前国内外的研究结果，生物炭的处理温度越高越好。在图1中，在500℃及600℃下，糖化残渣制备成的生物炭的含碳量要高于相同温度下秸秆直接制备成的生物炭。而且500℃及600℃下，糖化残渣制备成的生物炭的含碳量差别不大。而要到600℃，秸秆直接制备成的生物炭才能达到类似效果。这可能意味着即使是在500℃下，糖化残渣就可制备成质量较高的生物炭，且相比秸秆直接制备成的生物炭其能耗较少，同样具有重要意义。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
对于不同材料制备生物炭过程中的碳计算，采用如下实验方法进行测试分析：用实施例一中方法在500℃下制备生物炭。通过高效液相色谱对水稻秸秆、其糖化液及糖化残渣的组分进行分析。并结合总有机碳分析仪，对各物质的碳含量进行检测。
本实施例分析结果：本实验中，100g水稻秸秆中以碳重量计各物质量为：水稻秸秆为56g碳；水稻秸秆中的多糖组分为22g碳；在本实施例的糖化条件下糖化液中多糖组分为12g碳；糖化残渣为44g碳；糖化残渣制备成的生物炭为27g碳；秸秆直接制备成的生物炭也为27g碳。可以看到，糖化减少了秸秆中的多糖，但是却不影响制备的以碳重量计的生物炭的量。也就是说秸秆中的多糖等组分，即使不通过糖化过程将其得到，在生物炭的制备过程中，这部分物质的碳也会基本流失。如果这部分流失的碳以二氧化碳计，糖化后制备生物炭比秸秆直接制备生物炭要减少41％二氧化碳的排放。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
对于糖化残渣制备成的生物炭作为土壤改良剂的效果，采用如下实验方法进行分析测试：用实验1中方法在600℃下制备生物炭。测定生物炭按0.01％的量加入水中后，其释放的物质量。将生物炭以0.01％的量加入土壤浸提液中，30℃、200转/分钟的摇床中放置18天后，对于土壤浸提液的总有机碳的影响。
实验结果：糖化残渣制备成的生物炭加入水中后，总溶解性固体浓度增加量基本为0；秸秆直接制备成的生物炭加入水中后，总溶解性固体浓度增加量约为42mg/L。将生物炭加入土壤浸提液18天后，加入糖化残渣制备成的生物炭的样品其总有机碳增加了约70％；而加入秸秆直接制备成的生物炭的样品其总有机碳增加了约50％。从这些结果看，糖化残渣制备成的生物炭可有效提高土壤的总有机碳含量，而秸秆直接制备成的生物炭则会向土壤中直接释放有机和无机物。对于土壤来说，总有机的含量的提高一般更为重要。
总之，本发明上述实施例制备的秸秆糖化残渣制备的生物炭能作为土壤改良剂进行应用，实现了农作物废弃物秸秆的综合利用。上述实施例将秸秆的糖化残渣制成生物炭，可作为一种高附加值产品，进而降低秸秆的生物转化成本。在秸秆的三个主要成分中，木质素的热解特性是最为稳定的，在900度以下，它的分解不仅困难而且缓慢。本发明其他实施例以木质素含量高的原材料制备生物炭，该生物炭的性质应该是更为稳定的，如在土壤环境中释放的有机物较少。而且制备过程中，流失的碳也会较少。所以本发明上述实施例以糖化残渣制备生物炭，不仅解决了糖化残渣的处理，使其转化成了高附加值产品；而且其制成的生物炭用于土壤改良，其效果可能要优于直接将秸秆制成的生物炭。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法及其制备的生物炭的应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将秸秆粉碎至粒径不大于1mm，得到秸秆粉粒；
b.利用纤维素酶，通过糖化过程处理在所述步骤a中制备的秸秆粉粒；
c.在所述步骤b中进行糖化过程处理完成后，通过离心或过筛收集糖化残渣；
d.对在所述步骤c中得到的糖化残渣进行干燥，干燥的糖化残渣主要成分为木质素，将糖化残渣作为制备生物炭的原材料备用；
e.将在所述步骤d中得到的干燥的糖化残渣放置于加热设备中，在厌氧环境下，在500-600℃下进行高温处理不低于2小时，最终获得生物炭。
2.根据权利要求1所述利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述秸秆为水稻、小麦、大麦和玉米的任一种秸秆或者多种作物的秸秆的混合物。
3.一种权利要求1所述利用秸秆糖化残渣制备生物炭的方法制备的生物炭的应用，其特征在于：将所制备的生物炭作为土壤改良剂。
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