CN115404079A - 一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，将工业废弃物粉碎、混合后造粒，通过阶梯式升温对其进行焙烧，冷却至室温，得到陶粒。以木质素作为粘合剂，将陶粒与生物质结合后共热解，最终获得一种优良的土壤改良剂。制备原料均采用固体废弃物，大大降低了生产成本，同时实现了固体废弃物的资源化利用。本发明利用木质素作为纯天然粘合剂，实现了生物炭和陶粒的结合，解决了直接共热解难以实现两者结合的问题。陶粒多孔结构为其提供了良好的保水性和吸附性能，其表面负载的生物炭也能够对土壤起到固碳保肥的作用。该发明所用工业固废中的重金属离子等在共热解后被固定，同时粘合剂天然无污染，施用到土壤中不会产生二次污染，故该陶粒能作为良好的土壤改良剂施用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，属于新材料技术领域。
背景技术
陶粒在提升土壤保水性方面具有重要作用，而生物炭对于土壤修复也不可或缺，将两者结合为一个整体，则可以良好利用两者的优势，使之能够对土壤修复实现最大的功能化。因此选用合适的方法将生物炭与陶粒结合，成为了新型土壤改良剂亟待解决的问题。
现已有生物质采用原位水热碳化的方式将生物炭与陶粒结合，生产具有土壤改良性能的材料。但该方法需要增加容器的压力，这一条件在大规模生产中难以满足，且存在较大的安全隐患。水热碳化过程还将产生大量的废液，带来了新的生产废物，且不易处理。另外，利用该方法制备的土壤改良材料中的生物炭以水热碳的形式存在，水热碳存在酸化趋势，不利于其在酸性土壤中的利用。
采用热解的方法制备生物炭与陶粒相结合的土壤改良剂能够有效解决上述问题：热解炭在制备过程中不会产生大量废液或废气，无需进行生产废物的处理；另外，利用热解的方法制备土壤改良剂，其中的生物炭以热解炭的形式存在，热解炭呈碱性，有利于酸性土壤的改良。但直接将生物质与陶粒物理混合后再热解，难以实现两者的结合，因此需要利用合适的粘结剂，在热解之前将两者进行初步结合，才有利于热解过程中两者进一步的紧密结合，最终制备出具有良好性能的土壤改良剂。
现常用的粘结剂主要有树脂材料、橡胶材料、乳液胶黏剂等，这些材料在用作粘结剂方面均具有一定的优势，但树脂材料容易堵塞陶粒表面的孔道，从而降低其吸水性；橡胶材料存在难降解的问题，施用到土壤中会对为土壤带来新的污染；而乳液胶黏剂则存在耐水性不高的问题，在土壤中难以利用。以上常用的粘合剂在制备过程中普遍存在工艺复杂，需额外添加化学试剂的问题，也增加了产品制备的成本。除了无机粘结剂外，还有利用淀粉制备的有机粘结剂，但其中需添加多种化学试剂，对改良剂在土壤中的应用不利，且工序复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，采用木质素作为天然粘结剂，使得陶粒与生物炭结合，提高陶粒材料的土壤改良性能，扩展其应用范围，同时避免粘结剂对环境造成二次污染。
本发明通过以下技术方案实现：
一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，包括以下步骤：
（1）将粉煤灰、赤泥、磷石膏、生物质混合均匀后加入去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒。
（2）向木质素粉末中加入水，得到粘稠的木质素粘合剂，将粘合剂均匀附着在陶粒上，再放入生物质粉末中，使生物质粉末粘合到陶粒表面。
（3）将粘合好生物质的陶粒放入石英舟中，在氮气保护氛围下进行热解，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理粘附的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
优选的，本发明步骤（1）中混合物料中各原料的添加量为粉煤灰60~85重量份、赤泥40~15重量份、磷石膏10~30重量份、生物质重量份10~50重量份。
优选的，本发明步骤（1）所述焙烧的具体过程包括：干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6-12℃/min的升温速率升温至800-1200℃，将陶粒在800-1200℃下焙烧10-40min。
优选的，本发明步骤（2）中木质素粉末与水的添加比例为：木质素质量百分比为10%-50%，水的质量百分比为50%-90%。
优选的，本发明所述生物质粉末为：咖啡渣、整株玉米秸秆、玉米秸秆内芯或者玉米秸秆外壳粉末，过100目筛。
优选的，本发明步骤（2）中陶粒的粒径为5-60mm，木质素粘合剂的量为刚好均匀覆盖陶粒的表面。
优选的，本发明步骤（3）中共热解过程中氮气的流量为0.2L/min-1L/min，热解的条件为：以5℃/min-20℃/min的升温速率将温度升高至300℃-800℃，共热解30min-60min。
优选的，本发明步骤中所述木质素粉末为脱碱/非脱碱木质素，木质素是否脱碱对其粘合性能不产生影响。
采用热解的方法制备生物炭与陶粒相结合的土壤改良剂能够有效解决上述问题：热解炭在制备过程中不会产生大量废液或废气，无需进行生产废物的处理；另外，利用热解的方法制备土壤改良剂，其中的生物炭以热解炭的形式存在，热解炭呈碱性，有利于酸性土壤的改良。但直接将生物质与陶粒物理混合后再热解，难以实现两者的结合，因此需要利用合适的粘结剂，在热解之前将两者进行初步结合，才有利于热解过程中两者进一步的紧密结合，最终制备出具有良好性能的土壤改良剂。
本发明的有益效果和优点：
（1） 相比于水热碳化的方式结合生物炭与陶粒，利用共热解结合生物炭和陶粒不会产生大量的废液，无需进行生产废物的处理，减少了生产成本。
（2） 利用共热解的方法制备出的土壤改良剂呈碱性，有利于酸性土壤的改良，相比于水热法产生的具有酸化趋势的改良剂，应用场景更广泛。
（3） 本发明可以实现赤泥、粉煤灰、玉米秸秆等固体废物的资源化利用，将有毒有害的物质通过高温的方式将有害物质固定在陶粒中，降低固体废弃物污染，增强土壤保水性的同时，赋予陶粒土壤改良的性能。
（4） 将陶粒与不同的生物质结合，利用不同的生物质所具有的特性，可以实现对土壤不同的改良目的，为土壤添加不同的营养组分，同时也可以对土壤中的污染物产生不同的吸附效果，可根据改变生物质的种类，实现对土壤不同性能改良的调控。
（5） 采用木质素这一天然粘合剂结合陶粒与生物质，粘结效果好，解决了陶粒难以与生物质结合的问题；利用天然粘结剂也不会额外产生污染物，施用于土壤中不会对土壤产生毒性危害
（6） 本发明中制备工艺步骤少，操作方法简单易行，能够有效结合陶粒与生物质，从而对土壤进行改良。
附图说明：
图1 不同水与木质素配比制备的样品对应的保水性；
图2 不同生物质种类制备的样品对应的保水性；
图3 不同种类木质素制备的样品对应的保水性；
图4 是否添加木质素粘结剂的样品对应的保水性。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种将粉煤灰、赤泥、生物质按照质量比85:15:15混合均匀后加入适量去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧：干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6℃/min升温速率升温至800℃，将陶粒在800℃下焙烧20min，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒。
向10g脱碱木质素粉末中加入少量多次加入水，得到粘稠的木质素粘合剂，将粘合剂均匀附着在陶粒表面上，再放入玉米秸秆内芯生物质粉末中，使玉米秸秆内芯生物质粉末粘合到陶粒表面，刚好覆盖住陶粒表面的木质素粘合剂。
将粘合好生物质的陶粒放入石英舟中，在流量为0.2L/min的氮气保护氛围下，以5℃/min的升温速率升至300℃后保持30min，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理粘附的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
本实施例做了3组实验，中加入水的质量分别是10g、50g、100g，最终得到三个样品，将所得陶粒在105℃下烘干5h，将陶粒与100目红土样品以质量比1:2混合，加入过量的水浸泡24小时后，用注射器吸去上层多余的水，记录初始烧杯及样品的总重量及之后每隔一段时间的烧杯与样品的总重量，通过计算陶粒与红土体系中水的蒸发量，得出陶粒的保水性；不同水与木质素配比制备的样品对应的保水性如表1和图1所示。
表1
| 木质素与水比例（w/w） | 1:1 | 1:5 | 1:10 |
| 达到最大蒸发量所需时间（h） | 65 | 42 | 42 |
由表1可以看出，木质素与生物质的比例会影响不同陶粒对应的保水性；通过实验发现，市售陶粒达到最大蒸发量所需时间为40h，最终制备得到的利用木质素作为粘合剂结合陶粒及生物质材料的保水性优于市售陶粒，木质素粘合剂浓度越高，结合的效果越好。良好的保水性能能够大大增加陶粒在土壤中固持水分的能力，使得进入土壤中的水分缓慢蒸发，最大限度地延长水分在土壤中留存的时间，使植物可以充分利用土壤中的水分；此外，陶粒于生物质能够稳定结合，形成结构稳定的复合体，减缓微生物对生物质的降解速率，减缓肥力流失；利用了木质素作为粘合剂，不额外添加化学试剂，实现了陶粒于生物质结合的同时，对环境的绿色环保无污染，结合效果好且不产生二次污染。
实施例2
一种将粉煤灰、赤泥、生物质按照质量比8:3:1.5混合均匀后加入去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6℃/min升温速率升温至1110℃或者900℃，将陶粒在1110℃或者900℃下焙烧20min，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒。
向10g非脱碱木质素粉末中加入少量多次加入10g水，得到粘稠的木质素粘合剂，将粘合剂均匀附着在陶粒表面上，再放入不同生物质粉末中，使不同生物质粉末粘合到陶粒表面，使之刚好覆盖陶粒表面的木质素粘合剂。将粘合好生物质的陶粒放入石英舟中，在流量为1L/min的氮气保护氛围下，以20℃/min的升温速率升至800℃后保持3h，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理粘附的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
本实施例做了3组实验，加入的生物质分别是咖啡渣、玉米秸秆、玉米秸秆内芯，最终得到三个样品，将所得陶粒在105℃下烘干5h，将陶粒与100目红土样品以质量比1:2混合，加入过量的水浸泡24小时后，用注射器吸去上层多余的水，记录初始烧杯及样品的总重量及之后每隔一段时间的烧杯与样品的总重量，通过计算陶粒与红土体系中水的蒸发量，得出陶粒的保水性。不同生物质种类制备的样品对应的保水性如表2和图2所示。
表2
| 生物质种类 | 咖啡渣 | 玉米秸秆 | 玉米秸秆内芯 |
| 达到最大蒸发量所需时间（h） | 53 | 42 | 65 |
由表2可以看出，利用木质素粘结不同的生物质会影响不同陶粒对应的保水性；通过实验发现，市售陶粒达到最大蒸发量所需时间为40h，最终制备得到的利用木质素作为粘合剂结合陶粒及生物质材料的保水性优于市售陶粒，良好的保水性能能够大大增加陶粒在土壤中固持水分的能力，使得进入土壤中的水分缓慢蒸发，最大限度地延长水分在土壤中留存的时间，使植物可以充分利用土壤中的水分。此外，陶粒于生物质能够稳定结合，形成结构稳定的复合体，减缓微生物对生物质的降解速率，减缓肥力流失。利用了木质素作为粘合剂，不额外添加化学试剂，实现了陶粒于生物质结合的同时，对环境的绿色环保无污染，结合效果好且不产生二次污染。
实施例3
一种将粉煤灰、赤泥、生物质按照质量比6:4:3混合均匀后加入去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧：干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6℃/min升温速率升温至1200℃，将陶粒在1200℃下焙烧40min，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒。
向10g木质素粉末中加入少量多次加入10g水，得到粘稠的木质素粘合剂，将粘合剂均匀附着在陶粒表面上，再放入咖啡渣生物质粉末中，使咖啡渣生物质粉末粘合到陶粒表面，刚好覆盖陶粒表面的木质素粘合剂。将粘合好生物质的陶粒放入石英舟中，在流量为0.5L/min的氮气保护氛围下，以10℃/min的升温速率升至500℃后保持2h，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理粘附的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
本实施例步骤中使用的木质素分别为脱碱木质素和非脱碱木质素，最终得到2个样品，将所得陶粒在105℃下烘干5h，将陶粒与100目红土样品以质量比1:2混合，加入过量的水浸泡24小时后，用注射器吸去上层多余的水，记录初始烧杯及样品的总重量及之后每隔一段时间的烧杯与样品的总重量，通过计算陶粒与红土体系中水的蒸发量，得出陶粒的保水性。不同种类木质素制备的样品对应的保水性如表3和图3所示。
表3
| 木质素类型 | 脱碱木质素 | 非脱碱木质素 |
| 达到最大蒸发量所需时间（h） | 65 | 53 |
由表3可以看出，利用不同类型木质素粘结生物质会影响不同陶粒对应的保水性；通过实验发现，市售陶粒达到最大蒸发量所需时间为40h，最终制备得到的利用木质素作为粘合剂结合陶粒及生物质材料的保水性优于市售陶粒，良好的保水性能能够大大增加陶粒在土壤中固持水分的能力，使得进入土壤中的水分缓慢蒸发，最大限度地延长水分在土壤中留存的时间，使植物可以充分利用土壤中的水分。此外，陶粒于生物质能够稳定结合，形成结构稳定的复合体，减缓微生物对生物质的降解速率，减缓肥力流失。利用了木质素作为粘合剂，不额外添加化学试剂，实现了陶粒于生物质结合的同时，对环境的绿色环保无污染，结合效果好且不产生二次污染。
实施例4
一种将粉煤灰、赤泥、生物质按照质量比85:15:15混合均匀后加入去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧：干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6℃/min升温速率升温至1100℃，将陶粒在1100℃下焙烧20min，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒。
将陶粒放置于石英舟中，用咖啡渣生物质覆盖陶粒表面，生物质用量为刚好覆盖住陶粒的表面。然后将该石英舟在流量为0.5L/min的氮气保护氛围下，以10℃/min的升温速率升至500℃后保持2h，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理附着的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
本实施例步骤中未使用的木质素作为粘合剂，直接将生物质与陶粒进行共热解，最终得到的样品与添加了木质素作为粘合剂的样品进行对比，将所得陶粒在105℃下烘干5h，将陶粒与100目红土样品以质量比1:2混合，加入过量的水浸泡24小时后，用注射器吸去上层多余的水，记录初始烧杯及样品的总重量及之后每隔一段时间的烧杯与样品的总重量，通过计算陶粒与红土体系中水的蒸发量，得出陶粒的保水性。是否添加木质素粘结剂的样品对应的保水性如表4和图4所示。
表4
| 是否添加木质素粘结剂 | 是 | 否 |
| 达到最大蒸发量所需时间（h） | 65 | 28 |
由表4可以看出，是否利用木质素粘结生物质会影响不同陶粒对应的保水性；通过实验发现，市售陶粒达到最大蒸发量所需时间为40h，最终制备得到的利用木质素作为粘合剂结合陶粒及生物质材料的保水性优于市售陶粒；而不添加木质素作为粘结剂的陶粒结合生物炭能力减小，大大降低了其保水性能。良好的保水性能能够大大增加陶粒在土壤中固持水分的能力，使得进入土壤中的水分缓慢蒸发，最大限度地延长水分在土壤中留存的时间，使植物可以充分利用土壤中的水分；此外，陶粒于生物质能够稳定结合，形成结构稳定的复合体，减缓微生物对生物质的降解速率，减缓肥力流失。利用了木质素作为粘合剂，不额外添加化学试剂，实现了陶粒于生物质结合的同时，对环境的绿色环保无污染，结合效果好且不产生二次污染。
Claims (7)
1.一种利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将粉煤灰、赤泥、磷石膏、生物质混合均匀后加入去离子水进行造球，然后放入马弗炉中，采用阶梯式升温的方法对陶粒进行焙烧，焙烧后自然冷却至室温，获得陶粒；
（2）向木质素粉末中加入水，得到粘稠的木质素粘合剂，将粘合剂均匀附着在陶粒上，再放入生物质粉末中，使生物质粉末粘合到陶粒表面；
（3）将粘合好生物质的陶粒在氮气保护氛围下进行热解，待热解完成冷却后取出陶粒，轻轻去除表面物理粘附的生物质，得到共热解结合生物炭的陶粒。
2.根据权利要求1所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：步骤（1）中混合物料中各原料的添加量为粉煤灰60~85重量份、赤泥40~15重量份、磷石膏10~30重量份、生物质重量份10~50重量份。
3.根据权利要求1所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：步骤（1）所述焙烧的具体过程包括：干燥阶段：以3℃/min的升温速率升温至105℃，将陶粒在105℃条件下保温180min；预热阶段：以5℃/min的升温速率升温至400℃，将陶粒在400℃下保温30min；焙烧阶段：以6-12℃/min的升温速率升温至800-1200℃，将陶粒在800-1200℃下焙烧10-40min。
4.根据权利要求1所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：步骤（2）中所述木质素为脱碱木质素或者非脱碱木质素，木质素粉末与水的添加比例为：木质素质量百分比为10%-50%，水的质量百分比为50%-90%。
5.根据权利要求1或4所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：所述生物质粉末为：咖啡渣、整株玉米秸秆、玉米秸秆内芯或者玉米秸秆外壳粉末，过100目筛。
6.根据权利要求1所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：步骤（2）中陶粒的粒径为5-60mm，木质素粘合剂的量为刚好均匀覆盖陶粒的表面。
7.根据权利要求1所述利用陶粒和生物炭共热解制备土壤改良剂的方法，其特征在于：步骤（3）中共热解过程中氮气的流量为0.2L/min-1L/min，热解的条件为：以5℃/min-20℃/min的升温速率将温度升高至300℃-800℃，共热解30min-60min。
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