一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法，包括以下步驟：將竹原料與無機酸液混合，然后加入水熱反應釜進行酸催化水熱炭化反應，所述竹原料與酸液的固液比為1Kg：6L～1Kg：14L；將反應產物冷卻，過濾分離，固相產物經漂洗、干燥后得到竹生物炭。本發明以竹廢棄物作為生物炭制備的原料，以無機酸為催化劑，通過酸催化水熱炭化反應制備生物炭，提供了一種新的竹廢棄物利用方式，提高了竹材的綜合利用率，提升了產品附加值，且制備過程簡單、溫和、高效，具有良好的經濟效益。本發明實現了資源的循環利用，并有助于固定碳元素，節能減排，生態效益良好。
【專利說明】
一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及生物炭制備技術領域，尤其是一種竹生物炭的催化制備方法。
【背景技術】
[0002]生物炭是生物質在缺氧、高溫、熱解條件下轉化而成的難溶、穩定、高度芳香化及富含碳素的固態物質。將廢棄生物質中的碳元素通過炭化的方式轉變成難以生物降解的炭化物(即生物炭)是一種有效固定二氧化碳和農業廢棄物資源化的方法。研究認為，生物炭既可作為高品質能源，還能作為肥料緩釋載體，二氧化碳封存劑，吸附劑等功能性材料使用。向土壤中施加生物炭，可改善土壤肥力，阻止有害物質擴散，為有益微生物生長提供載體，從而促進作物生長。向水體中施加生物炭，可吸附重金屬、有機化合物等污染物質，改良水質，凈化水體。
[0003]生物質的炭化技術主要有熱解炭化和水熱炭化兩種。其中水熱炭化是指原料在130?350°C密閉的水溶液中經脫水、脫羧等復雜反應，加速煤化，轉化成生物炭的過程。水熱炭化反應原料無需干燥處理，固炭效率高、反應條件較溫和，設備簡單，操作方便，且有助于保留炭化物表面的含氧、含氮官能團，是一種綠色、低成本的生物炭制備方法。此外，采用適當的催化劑如酸、堿等對生物質原料進行催化水熱炭化，可在提高制炭效率的同時，改善生物炭產品理化性能，提供產品附加值。無機酸價廉、易得、可充當活化造孔劑，增加生物炭的比表面積與孔容，擴大孔徑，改變表面官能團，從而改善生物炭的理化性能，是制備功能性生物炭的理想催化劑。
[0004]竹生長快，適應性強，只要合理采伐不但不會破壞生態環境，還能更好地促進竹資源再生，因此是一種非常常用的可再生生物質資源。我國是世界上竹品種最多的國家，竹資源豐富。竹材一般在成活后2-3年就可以砍伐使用，是一種速生高產纖維原料，也是制炭的理想原材料。我國竹產業發達，竹葉(莖)、竹肩等竹廢棄物產量巨大，但其利用率不足10 %，不但造成資源浪費，不當處理還將造成環境污染。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法，工藝簡單，提高了竹的綜合利用率和產品附加值，具有良好的經濟效益和環境效益。
[0006]為實現上述目的，本發明的竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法包括以下步驟:將竹原料與無機酸液混合，然后加入水熱反應釜進行酸催化水熱炭化反應，所述竹原料與酸液的固液比為IKg: 6L?IKg: 14L;
將反應產物冷卻，過濾分離，固相產物經漂洗、干燥后得到竹生物炭。
[0007]進一步的，還包括竹原料的預處理步驟:清除表面泥土和雜物。
[0008]優選的，所述酸催化水熱炭化反應的反應溫度為160°C?200 °C。
[0009]優選的，所述的酸催化水熱炭化反應的反應時間為3h?7ho
[0010]優選的，所述的無機酸液中的無機酸為硝酸、鹽酸、硫酸或磷酸中的一種或幾種。[ΟΟ??] 優選的，所述的酸液濃度為I wt%?10 wt%0
[0012]優選的，反應產物冷卻的冷卻溫度為80°C以下。
[0013]優選的，所述過濾分離采用板壓過濾進行，過濾分離得含水率為30wt%?40 wt%的固態產物。
[0014]優選的，漂洗過程漂洗至洗液呈中性。
[0015]進一步的，干燥步驟包括將固態產物置于通風處風干，然后置于烘箱中干燥至恒重，干燥過程溫度為100 °C?110°C。
[0016]本發明的有益效果:
本發明提供了一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法，包括:將竹原料與無機酸液混合，然后加入水熱反應釜進行酸催化水熱炭化反應，將反應產物冷卻，過濾分離，固相產物經漂洗、干燥后得到竹生物炭。與現有技術相比，本發明通過酸催化水熱炭化將竹原料轉變為生物炭，提供了一種新型的功能性竹生物炭的制備方法，提高了竹的利用率和產品附加值，且有利于固碳減排，具有良好的經濟效益和環境效益。另外，本發明中竹原料無需預處理，催化水熱反應固碳效率高、反應條件溫和、耗能少，反應設備結構簡單、易于操作，生產成本低廉;且能獲得性能優良的功能性竹生物炭產品，可用于土壤改良或水體修復，工業化應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例1制備竹生物炭的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0018]為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明的優選實施方案進行詳細說明。但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
[0019]本發明的實施例提供了一種竹生物炭的催化制備方法，包括以下步驟:
將竹原料與無機酸液混合，然后加入水熱反應釜進行催化水熱炭化反應，將反應產物冷卻，過濾分離，固相產物經漂洗、干燥后得到竹生物炭。
[0020]在上述技術方案中，本發明實現了竹廢棄物的有效利用，提高了資源利用率，固碳減排，且能提升產品附加值，得到性能優良的可用于土壤與水體環境修復的產品，具有較好的經濟效益和環境效益。
[0021]作為優選方案，本發明還包括竹原料的預處理步驟:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物。
[0022]作為優選方案，將質量、體積比為lKg:6L?IKg:14L的竹原料與無機酸液加入水熱反應釜進行酸催化水熱炭化反應，具體為:將竹原料與酸液混合，加入水熱釜，密閉后加熱。所述酸催化水熱炭化反應的反應溫度優選為160 °C?200 °C，更優選為180 °C?200 °C;所述的酸催化水熱炭化反應的反應時間優選為3 h?7 h，更優選為3 h?5 h;所述的無機酸催化劑優選為鹽酸、硝酸、硫酸或磷酸，更優選為硝酸或硫酸;所述的無機酸濃度優選為Iwt %?10 wt %，更優選為5 wt %?10 wt %。
[0023]本發明采用酸催化水熱炭化技術制備竹生物炭，工藝簡單、反應溫和、高效，能有效拓展竹廢棄物利用的途徑，并制備性能優良的產品，對于提高竹材的利用率和獲得高附加值的產品具有重要的意義。
[0024]作為優選方案，冷卻水熱反應釜至80°C以下，之后采用板壓過濾進行過濾分離，過濾分離優選得含水率為30 wt%?40 wt%的固態產物。
[0025]作為優選方案，漂洗固態產物至洗液呈中性。
[0026]作為優選方案，干燥優選為將上述固態產物置于烘箱中干燥至恒重。
[0027]作為優選方案，上述干燥過程溫度為100 °C?110°C。
[0028]從以上方案可以看出，本發明以竹為原料，與酸液混合后導入水熱釜中，經催化水熱炭化制備竹生物炭產品。該方法實現了資源的循環利用，并有助于固碳減排，具有良好的環境效益;此外，該法提高了竹廢棄物的經濟效益，改善了竹生物炭產品性能，提高了產品附加值，過程簡單、高效、能耗小、成本低，工業化應用前景良好。
[0029]為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，本發明的保護范圍不受以下實施例的限制。
[0030]實施例1:
如圖1所示，竹生物炭按照如下步驟制備:
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與I Wt %的硝酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 6L，反應溫度200°C，反應時間3 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 wt%的固態產物；步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0031]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0032]實施例2:
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與I wt %的硫酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 6L，反應溫度200°C，反應時間5 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0033]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0034]實施例3:
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與3 wt %的磷酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 8L，反應溫度200°C，反應時間7 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0035]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0036]實施例4
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與5 wt %的硝酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 8L，反應溫度160°C，反應時間5 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0037]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
實施例5
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與5 wt %的硫酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg:1OL，反應溫度180 °C，反應時間7 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0038]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0039]實施例6
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與7 wt %的鹽酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg:1OL，反應溫度180 °C，反應時間3 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0040]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中100°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0041 ] 實施例7
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與9 wt %的硝酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 12L，反應溫度180 °C，反應時間7 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0042]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0043]實施例8
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與10 Wt %的硫酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 12L，反應溫度160 °C，反應時間3 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0044]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0045]實施例9
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與10 wt %的磷酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 6L，反應溫度180°C，反應時間3 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0046]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0047]實施例10
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與I Wt %的鹽酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 14L，反應溫度200 °C，反應時間5 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0048]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0049]實施例11
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與5 wt %的磷酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 14L，反應溫度160 °C，反應時間5 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0050]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0051 ] 實施例12
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與5 wt %的硝酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg:1IL，反應溫度200 °C，反應時間7 h；
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0052]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0053]實施例13
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的酸催化水熱炭化:將竹原料與8 wt %的硫酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 7L，反應溫度200°C，反應時間3 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0054]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0055]實施例14
步驟一、竹原料的回收、預處理:回收竹材加工過程中產生的廢棄竹葉、竹莖、竹肩及其它竹加工廢棄物，清除原料表面泥土和雜物；
步驟二、竹原料的催酸化水熱炭化:將竹原料與I wt %的硝酸溶液混合，加入水熱釜，密閉水熱釜后加熱進行酸催化水熱炭化反應，竹原料與酸液的固液比lkg: 9L，反應溫度180°C，反應時間5 h;
步驟三、固、液相產物的過濾分離:酸催化水熱炭化結束后，取出水熱反應釜置于冷卻水中，冷卻至80 °C以下后，開釜導出混合物，經過濾得含水率為30 wt%-40 ￥七％的固態產物；
步驟四、固態產物的漂洗:用少量水對固態產物表面進行漂洗至漂洗液為中性。
[0056]步驟五、固態產物的干燥:將固態產物置于烘箱中110°C干燥至恒重，得固態竹生物炭產品。
[0057]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種竹生物炭的無機酸催化水熱制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 將竹原料與無機酸液混合，然后加入水熱反應釜進行酸催化水熱炭化反應，所述竹原料與酸液的固液比為IKg: 6L?IKg: 14L; 將反應產物冷卻，過濾分離，固相產物經漂洗、干燥后得到竹生物炭。2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，還包括竹原料的預處理步驟:清除表面泥土和雜物。3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酸催化水熱炭化反應的反應溫度為160 0C?200 0C04.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的酸催化水熱炭化反應的反應時間為3 h?7 ho5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的無機酸液中的無機酸為硝酸、鹽酸、硫酸或磷酸中的一種或幾種。6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的酸液濃度為Iwt%?1 wt%。7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，反應產物冷卻的冷卻溫度為80°C以下。8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述過濾分離采用板壓過濾進行，過濾分離得含水率為30 wt%?40 wt%的固態產物。9.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，漂洗過程包括將固態產物漂洗至洗液呈中性。10.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，干燥步驟包括將固態產物置于烘箱中干燥至恒重，干燥過程溫度為100C?11o°c。
【文檔編號】C09K17/02GK105935581SQ201610013600
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年1月11日
【發明人】李音, 王陽, 戴愷晨, 梁偉, 單勝道, 楊瑞芹
【申請人】浙江科技學院