本發(fā)明涉及生物質(zhì)資源高值化綜合利用以及環(huán)境污染治理領(lǐng)域，具體涉及一種采用koh改性生物炭肥的制備方法。

背景技術(shù)：

不論是在糧食作物還是在經(jīng)濟(jì)作物的種植領(lǐng)域，長(zhǎng)久以來(lái)就采用施肥的手段來(lái)提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。從最早的施用農(nóng)家有機(jī)肥到施用無(wú)機(jī)肥，再到施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥。施肥種類、施肥量及配比等對(duì)糧食作物或經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量和質(zhì)量都有很大的影響。傳統(tǒng)的肥料尤其是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥雖然在提高作物產(chǎn)量方面起到了不錯(cuò)的效果。但是，傳統(tǒng)的肥料存在成分和養(yǎng)分配比不合理，幾乎不能恢復(fù)土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，甚至還會(huì)產(chǎn)生副作用，造成土壤板結(jié)等。

人類的生存與發(fā)展始終伴隨著大量的人及牲畜排泄物的產(chǎn)生，隨著人們生活的提高，人畜糞便對(duì)環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重。首先，人畜糞便中含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等物質(zhì)，若直接排放，會(huì)造成水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化。其次，糞便中含有大量病原體，容易引發(fā)大規(guī)模傳染病的流行。再次，糞便污水中有機(jī)質(zhì)腐爛分解后產(chǎn)生有毒有害氣體，發(fā)生惡臭。這些均嚴(yán)重污染了大地、水體、大氣和生物群落，并對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在威脅。同時(shí)人畜糞便大都具有含水率高、不易儲(chǔ)存、受潮易腐爛等特點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)輸成本大、儲(chǔ)存空間大和處理成本高等問(wèn)題。因此尋求合適的人畜糞便處理方法具有現(xiàn)實(shí)意義和商業(yè)化前景。

我國(guó)年產(chǎn)生物質(zhì)約10億噸，其中僅玉米、水稻、小麥等大宗作物的秸稈量就超過(guò)5億噸。隨著我國(guó)糧食生產(chǎn)總量的增加，這一數(shù)字還將進(jìn)一步提高。面對(duì)如此巨大的資源，目前尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合理、高效與高值利用，而以傳統(tǒng)利用方式為主。當(dāng)前的處理方法主要有肥料化、飼料化、基料化、燃料化和原料化等5種利用方式，其中肥料化、飼料化、基料化屬于農(nóng)業(yè)化利用方式，燃料化和原料化利用屬于工業(yè)化利用模式。由于存在利用途徑少、規(guī)模小及利用價(jià)值低等問(wèn)題，大量的生物質(zhì)資源被棄置或焚燒，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，尋求生物質(zhì)功能化與高值化利用新技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，熱解碳化技術(shù)是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的生物質(zhì)綜合利用技術(shù)，它可以做到氣、液、炭聯(lián)產(chǎn)，然后用作清潔能源化利用及功能原料化利用等。由于生物炭疏松多孔、表面含氧官能團(tuán)豐富、環(huán)境性質(zhì)穩(wěn)定，作為功能吸附劑在土壤污染修復(fù)及水污染控制領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的生物炭由于其原料以及制備方法的原因，其微孔結(jié)構(gòu)偏少、比表面積也偏小，其吸附性能和穩(wěn)定性受到很大限制；同時(shí)，傳統(tǒng)生物炭的氮、磷、鉀等植物營(yíng)養(yǎng)元素及其他微量元素的含量極低，在施用中往往需要配合其他肥料以增強(qiáng)肥效，造成成本和勞動(dòng)力的增加。所以提高生物炭的吸附性能和肥效是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)功能化與高值化利用的一個(gè)重要的努力方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服以上不足，本發(fā)明提供了一種采用koh改性生物炭肥的制備方法。采用經(jīng)過(guò)特殊方法處理過(guò)的草木灰作為催化劑，該催化劑一方面可以大幅增加微孔從而增大比表面積，提高其吸附性能；另一方面可以增加營(yíng)養(yǎng)元素n、p、k以及多種微量元素，基本不用額外添加其他肥料。采用koh改性生物炭肥的制備方法，是利用化學(xué)法進(jìn)行改性，使其表面官能團(tuán)含量發(fā)生變化，具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，提高了生物質(zhì)資源的利用效率，解決了秸稈難于降解、再利用的難題，具有極其深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種采用koh改性生物炭肥的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）生物質(zhì)原料的選取及準(zhǔn)備

所用生物質(zhì)原料是玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、棉花秸稈、玉米芯、棉籽殼、稻殼、花生殼、豆殼、果殼、甘蔗渣、果皮、菜葉菜幫、等外果、殘次果、樹(shù)木殘枝、木屑中的一種或若干種的任意混合物。曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，得原料1；其中，生物質(zhì)原料的含水量控制在10%以下；

（2）人畜糞便的選取及準(zhǔn)備

將選取的人畜糞便曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，得原料2；其中，人畜糞便的含水量控制在20%以下；

（3）稱重并混合

將原料1、原料2和催化劑按質(zhì)量比3:2:1進(jìn)行稱重混合，其中所述催化劑為草木灰用水溶解后，用氨水調(diào)節(jié)ph至8.2~8.6，然后過(guò)濾，冷凍干燥而成；

（4）脫水排氧

將步驟（3）所得的混合料放入熱解物料倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)填充率大于80%，將物料倉(cāng)加熱至150℃~200℃，并保溫20~60分鐘，利用產(chǎn)生的水蒸氣將倉(cāng)內(nèi)殘留空氣充分排出；

（5）裂解碳化

將步驟（4）處理后的混合料送入裂解設(shè)備中，升溫至250℃~260℃，保持該溫度10~15分鐘，然后在5分鐘內(nèi)升溫至460℃~470℃，并保持該溫度3h~4h，然后在3分鐘內(nèi)急冷至150℃~180℃，保持該溫度30~60分鐘，使物料充分完成碳化后自然冷卻，得到生物炭肥。

（6）將步驟（5）中所得的生物炭肥和koh溶液混合，攪拌一段時(shí)間后進(jìn)行過(guò)濾、水洗、烘干，即得到改性的生物炭肥。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述草木灰為喬木燃燒后得到的草木灰。喬木燃燒后的草木灰，雜質(zhì)更少，也更利于營(yíng)養(yǎng)成分的保留和對(duì)生物質(zhì)、人畜糞便的營(yíng)養(yǎng)成分的鎖定。另外，很多工廠比如塑料廠作為燃料的喬木燃燒后產(chǎn)生大量的草木灰，可以對(duì)其進(jìn)行充分回收利用。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，過(guò)濾時(shí)采用0.45μm濾膜。采用較細(xì)的孔徑，可以濾除絕大部分雜質(zhì)，利于生物炭微孔的形成和營(yíng)養(yǎng)元素的富集留存。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的koh溶液的當(dāng)量濃度為2n，koh溶液與生物炭肥的用量比為250ml∶1g。

本發(fā)明與現(xiàn)有制備方法相比具有以下顯著特點(diǎn)和有益效果：

1、采用經(jīng)過(guò)特殊方法處理過(guò)的草木灰作為催化劑，該催化劑一方面可以大幅增加微孔、增大比表面積，從而可以更好地增加土壤有機(jī)質(zhì)、吸收重金屬、改良土壤，另一方面可以增加營(yíng)養(yǎng)元素n、p、k以及微量元素包括ca、mn、mg、fe、zn、cu等，基本不用額外添加其他肥料。

2、與現(xiàn)有生物炭肥或類生物炭肥效果相比，利用本發(fā)明的制備方法所得的改性生物炭肥對(duì)重金屬的吸附性能大大提高。

3、本發(fā)明采用koh改性生物炭肥，是利用化學(xué)法進(jìn)行改性，使其表面官能團(tuán)的含量發(fā)生變化，具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。

4、本發(fā)明提供的制備方法簡(jiǎn)易，條件溫和，易于工業(yè)化生產(chǎn)，且不會(huì)造成附加的環(huán)境危害，提高生物質(zhì)資源利用效率，解決了秸稈難于降解、再利用的難題，具有極其深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5、使用人畜糞便和生物質(zhì)混合物作為主要原料，較僅利用生物質(zhì)作原料獲取的生物炭含有更豐富的氮、磷、鉀和微量元素。

6、將易分解有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的固定碳，減少了大氣中二氧化碳的排放，有利于改善全球氣候變化。

7、使用本發(fā)明特有的裂解方法，還可以鎖住生物質(zhì)和人畜糞便中對(duì)作物有用的營(yíng)養(yǎng)元素包括微量元素，保證其在裂解過(guò)程中減少流失甚至不流失，減少了營(yíng)養(yǎng)元素的損失，從而更好地滿足作物生長(zhǎng)的需要。

8、對(duì)大量的生物質(zhì)和人畜糞便進(jìn)行了合理有效的回收利用，大大減少了大氣污染和環(huán)境污染。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1：

采用koh改性生物炭肥的制備方法，步驟如下：

（1）生物質(zhì)原料的選取及準(zhǔn)備

將玉米秸稈曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，玉米秸稈的含水量控制在8%以下；（2）人畜糞便的選取及準(zhǔn)備

將人畜糞便曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，人畜糞便的含水量控制在16%以下；

（3）稱重并混合

將經(jīng)過(guò)步驟（1）、（2）處理后的玉米秸稈、人畜糞便和催化劑按質(zhì)量比3:2:1進(jìn)行稱重混合，其中，催化劑為柏樹(shù)燃燒后得到的草木灰用水溶解后，用氨水調(diào)節(jié)ph至8.2，然后過(guò)濾，過(guò)濾時(shí)采用0.45μm濾膜，冷凍干燥得到的物質(zhì)；

（4）脫水排氧：將步驟（3）所得的混合料放入熱解物料倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)填充率為85%，將物料倉(cāng)加熱至150℃，并持續(xù)60分鐘，此過(guò)程中物料倉(cāng)中殘留空氣和水蒸氣通過(guò)排氣口排出，進(jìn)行能量回收后，獲取的廢液排入污水處理系統(tǒng)，少量水蒸氣殘留在物料倉(cāng)內(nèi)；

（5）裂解碳化：將物料倉(cāng)內(nèi)的混合料送入裂解設(shè)備中，升溫至250℃，保持該溫度10分鐘，然后在5分鐘內(nèi)升溫至470℃，并保持該溫度3小時(shí)，然后在3分鐘內(nèi)急冷至150℃，保持該溫度30分鐘，得到生物炭肥。在上述制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生生物合成氣和生物油，可以采用公知的方式進(jìn)行收集和綜合利用；

（6）取2.0g經(jīng)過(guò)步驟（5）制得的生物炭肥與500ml當(dāng)量濃度為2n的koh溶液混合，充分?jǐn)嚢?小時(shí)后進(jìn)行過(guò)濾、水洗、烘干，即得到改性生物炭肥。

實(shí)施例2：

采用koh改性生物炭肥的制備方法，步驟如下：

（1）生物質(zhì)原料的選取及準(zhǔn)備

將小麥秸稈曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，小麥秸稈的含水量控制在6%以下；（2）人畜糞便的選取及準(zhǔn)備

將人畜糞便曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，人畜糞便的含水量控制在15%以下；

（3）稱重并混合

將經(jīng)過(guò)步驟（1）、（2）處理后的小麥秸稈、人畜糞便和催化劑按質(zhì)量比3:2:1進(jìn)行稱重混合，其中，催化劑為柏樹(shù)燃燒后得到的草木灰用水溶解后，用氨水調(diào)節(jié)ph至8.2，然后過(guò)濾，過(guò)濾時(shí)采用0.45μm濾膜，冷凍干燥得到的物質(zhì)；

（4）脫水排氧：將步驟（3）所得的混合料放入熱解物料倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)填充率為85%，將物料倉(cāng)加熱至200℃，并持續(xù)20分鐘，此過(guò)程中物料倉(cāng)中殘留空氣和水蒸氣通過(guò)排氣口排除，進(jìn)行能量回收后，獲取的廢液排入污水處理系統(tǒng)，少量水蒸氣殘留在物料倉(cāng)內(nèi)；

（5）裂解碳化：將物料倉(cāng)內(nèi)的混合料送入裂解設(shè)備中，升溫至260℃，保持該溫度10分鐘，然后在5分鐘內(nèi)升溫至460℃，并保持該溫度4小時(shí)，然后在3分鐘內(nèi)急冷至180℃，保持該溫度60分鐘，得到生物炭肥。在上述制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生生物合成氣和生物油，可以采用公知的方式進(jìn)行收集和綜合利用；

（6）取3.0g經(jīng)過(guò)步驟（5）制得的生物炭肥與750ml當(dāng)量濃度為2n的koh溶液混合，充分?jǐn)?小時(shí)后進(jìn)行過(guò)濾、水洗、烘干，即得到改性生物炭肥。

實(shí)施例3：

采用koh改性生物炭肥的制備方法，步驟如下：

（1）生物質(zhì)原料的選取及準(zhǔn)備：將木屑曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，木屑的含水量控制在9%以下；

（2）人畜糞便的選取及準(zhǔn)備：將人畜糞便曬干或烘干，粉碎成粉末，混勻，其中，人畜糞便的含水量控制在18%以下；

（3）稱重并混合：將經(jīng)過(guò)步驟（1）、（2）處理后的木屑、人畜糞便和催化劑按質(zhì)量比3:2:1進(jìn)行稱重混合，其中，催化劑為柏樹(shù)燃燒后得到的草木灰用水溶解后，用氨水調(diào)節(jié)ph至8.2，然后過(guò)濾，過(guò)濾時(shí)采用0.45μm濾膜，冷凍干燥得到的物質(zhì)；

（4）脫水排氧：將步驟（3）中所得的混合料放入熱解物料倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)填充率為85%，將物料倉(cāng)加熱至175℃，并持續(xù)40分鐘，此過(guò)程中物料倉(cāng)中殘留空氣和水蒸氣通過(guò)排氣口排出，進(jìn)行能量回收后，獲取的廢液排入污水處理系統(tǒng)，少量水蒸氣殘留在物料倉(cāng)內(nèi)；

（5）裂解碳化：將物料倉(cāng)內(nèi)的混合料送入裂解設(shè)備中，升溫至260℃，保持該溫度12分鐘，然后在5分鐘內(nèi)升溫至466℃，并保持該溫度3小時(shí)，然后在3分鐘內(nèi)急冷至160℃，保持該溫度40分鐘，得到生物炭肥。在上述制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生生物合成氣和生物油，可以采用公知的方式進(jìn)行收集和綜合利用。

（6）取4.0g經(jīng)過(guò)步驟（5）制得的生物炭肥與1000ml當(dāng)量濃度為2n的koh溶液混合，充分?jǐn)?小時(shí)后進(jìn)行過(guò)濾、水洗、烘干，即得到改性生物炭肥。

本發(fā)明一方面采用經(jīng)過(guò)特殊方法處理過(guò)的草木灰作為催化劑，不僅可以大幅增加微孔從而增大比表面積，提高其吸附性能，而且還可以增加營(yíng)養(yǎng)元素n、p、k以及多種微量元素，提高肥效。另一方面由于koh溶液對(duì)生物炭肥具有一定的清洗作用，改性后的生物炭肥表面雜質(zhì)含量減少，孔隙結(jié)構(gòu)排列整齊，含氧官能團(tuán)含量明顯增加。同時(shí)，由于本方法是利用化學(xué)方法進(jìn)行的改性，因此具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。所制備的生物炭肥不僅對(duì)重金屬的吸附性能大大增強(qiáng)，而且肥效高。不僅提高了生物質(zhì)資源利用效率，而且解決了秸稈難于降解、再利用的難題，具有極其深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本發(fā)明是通過(guò)具體實(shí)施過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明的，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)行各種變換及同等代替，因此，本發(fā)明專利不局限于所公開(kāi)的具體實(shí)施過(guò)程，而應(yīng)該包括落入本發(fā)明專利權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方案。