本發(fā)明屬于生物炭制備，尤其涉及一種低灰分生物炭及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、生物質(zhì)能作為化石能源的替代品，已成為全球能源開發(fā)的新方向。以廢棄生物質(zhì)為原料制備生物炭具有廣闊的發(fā)展前景，不僅能充分利用秸稈廢棄物，解決其處理難題，還能替代煤炭等化石燃料，節(jié)約能源資源。生物炭的制備主要在限氧及高溫環(huán)境下進(jìn)行，經(jīng)歷干燥、預(yù)炭化、炭化和煅燒等階段。不同的原材料與工藝條件會影響生物炭的性能，例如生物炭的產(chǎn)率、含碳率、灰分、燃燒值等。

2、秸稈等生物質(zhì)中含有多種礦物組分，如硅（si）、鈣（ca）、鎂（mg）、鐵（fe）、錳（mn）等。在生物炭的裂解過程中，這些礦物組分以灰分的形式富集在生物炭中，導(dǎo)致灰分含量增加。此外，炭化溫度、加熱速率、停留時(shí)間、生物質(zhì)原料的灰分含量以及炭化條件等因素也會造成生物炭灰分的提高。

3、高灰分生物炭在改性過程中可能需要使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿，這可能導(dǎo)致二次污染的產(chǎn)生。例如，改性過程中使用的化學(xué)試劑可能對環(huán)境造成負(fù)面影響，包括對水體的污染和對土壤微生物的影響。高灰分生物炭對污染物的吸附容量受到其特性限制，如表面官能團(tuán)含量、孔隙結(jié)構(gòu)及比表面積、ph值和陽離子交換量等。這些因素限制了其在環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)生物炭施用后難以從環(huán)境中分離，這對其在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程中的應(yīng)用構(gòu)成了障礙。特別是在土壤改良中，高灰分生物炭的殘留可能會影響土壤結(jié)構(gòu)和植物生長。高灰分含量還可能會影響生物炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其吸附性能。研究表明，酸改性可以降低灰分含量，從而可能提高生物炭的孔隙率和比表面積。高灰分生物炭的碳組分和灰分含量呈顯著正相關(guān)，灰分含量的增加可能會降低生物炭的碳含量，影響其固定碳含量與灰分提高、揮發(fā)性酸性物質(zhì)含量降低，使生物炭酸性減弱，ph值升高。生物炭的全碳及灰分含量在不同原材料和制備條件下變化較大，高灰分可能會影響生物炭在環(huán)境應(yīng)用中的效應(yīng)，如土壤改良和污染物固定。綜上所述，高灰分生物炭存在的問題涉及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、吸附容量限制、施用后分離難題、灰分對性能的影響、制備成本和規(guī)模化應(yīng)用阻礙、動態(tài)評估缺乏等多個(gè)方面，這些問題限制了高灰分生物炭的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。為此本發(fā)明提出一種低灰分生物炭及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種低灰分生物炭及其制備方法，旨在解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：

3、一種低灰分生物炭的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟1：制備酸性糖基天然低共熔溶劑；

5、將葡萄糖、乳酸與水混合，在60℃油浴中持續(xù)攪拌3?h，得到酸性糖基天然低共熔溶劑；

6、步驟2：混合酸性糖基天然低共熔溶劑與生物質(zhì)進(jìn)行灰分分離：

7、將步驟1得到的酸性糖基天然低共熔溶劑和免化學(xué)處理的生物質(zhì)在反應(yīng)器中混合，通入氣體并控制反應(yīng)器內(nèi)氣壓達(dá)到4~7.5?mpa；在70℃下加熱30?min，進(jìn)行灰分分離；

8、步驟3：反應(yīng)產(chǎn)物處理；

9、使用反應(yīng)終止劑將反應(yīng)終止，反應(yīng)液經(jīng)過抽濾分離出酸性糖基天然低共熔溶劑、水和灰分至濾液中；將抽濾得到的生物質(zhì)固體進(jìn)行真空烘干、研磨并收集，得到脫堿生物質(zhì)固體殘余，即低灰分生物炭；

10、步驟4：灰分富集產(chǎn)物處理；

11、抽濾后濾液加水靜置沉淀，沉淀用10%乙醇洗滌液浸泡攪拌12?h去除殘余酸性糖基天然低共熔溶劑，離心烘干收集灰分富集樣品。

12、進(jìn)一步的，所述步驟1中，葡萄糖、乳酸與水的摩爾比為1:5:3。

13、進(jìn)一步的，所述步驟2中，生物質(zhì)與酸性糖基天然低共熔溶劑的質(zhì)量比為1:1~30。

14、進(jìn)一步的，所述步驟2中，反應(yīng)器為可通氣反應(yīng)釜，氣體為二氧化碳，充氣方法為使用二氧化碳將反應(yīng)釜內(nèi)空氣多次通過放氣閥排出，再控制釜內(nèi)氣壓達(dá)到4~7.5?mpa。

15、進(jìn)一步的，所述步驟3中，使用50%乙醇溶液作為反應(yīng)終止劑，反應(yīng)終止劑的添加量為10~15?ml。

16、進(jìn)一步的，所述步驟3中，真空烘干的溫度為60℃；真空烘干的時(shí)間為12?h。

17、進(jìn)一步的，所述步驟4中，浸泡攪拌采用磁力攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速為300?rpm。

18、進(jìn)一步的，所述步驟4中，離心轉(zhuǎn)速為8000~11000?rpm；離心時(shí)間為3?min；離心管采用50?ml離心管。

19、進(jìn)一步的，所述步驟4中，采用恒溫烘箱進(jìn)行烘干；烘干溫度為80℃，烘干時(shí)間為18~24?h。

20、一種根據(jù)上述所述的低灰分生物炭的制備方法制得的低灰分生物炭。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明以木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物為原料，實(shí)現(xiàn)了廢棄生物質(zhì)脫堿工藝的改進(jìn)。本發(fā)明通過引入二氧化碳，利用其優(yōu)異的流動性促進(jìn)木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物與酸性糖基天然低共熔溶劑充分混合，降低反應(yīng)體系的粘度，促進(jìn)物質(zhì)傳質(zhì)并提高反應(yīng)活性，促進(jìn)灰分的分離，利用酸性糖基天然低共熔溶劑對生物質(zhì)中堿土金屬的溶解作用達(dá)到分離灰分的效果。此外，通過二氧化碳增加反應(yīng)體系壓力有助于提高生物質(zhì)與酸性糖基天然低共熔溶劑的接觸效果并增加溶劑的質(zhì)子供給能力，從而提高灰分去除率，本方法最高的灰分去除率達(dá)到96.8%。

技術(shù)特征：

1.一種低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，葡萄糖、乳酸與水的摩爾比為1:5:3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，生物質(zhì)與酸性糖基天然低共熔溶劑的質(zhì)量比為1:1~30。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟2中，反應(yīng)器為可通氣反應(yīng)釜，氣體為二氧化碳，充氣方法為使用二氧化碳將反應(yīng)釜內(nèi)空氣多次通過放氣閥排出，再控制釜內(nèi)氣壓達(dá)到4~7.5?mpa。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，使用50%乙醇溶液作為反應(yīng)終止劑，反應(yīng)終止劑的添加量為10~15?ml。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，真空烘干的溫度為60℃；真空烘干的時(shí)間為12?h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟4中，浸泡攪拌采用磁力攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速為300?rpm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟4中，離心轉(zhuǎn)速為8000~11000?rpm；離心時(shí)間為3?min；離心管采用50?ml離心管。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低灰分生物炭的制備方法，其特征在于，所述步驟4中，采用恒溫烘箱進(jìn)行烘干；烘干溫度為80℃，烘干時(shí)間為18~24?h。

10.一種根據(jù)權(quán)利要求1~9任一所述的低灰分生物炭的制備方法制得的低灰分生物炭。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明適用于生物炭制備技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種低灰分生物炭及其制備方法。本發(fā)明以木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物為原料，實(shí)現(xiàn)了廢棄生物質(zhì)脫堿工藝的改進(jìn)。本發(fā)明通過引入二氧化碳，利用其優(yōu)異的流動性促進(jìn)木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物與酸性糖基天然低共熔溶劑充分混合，降低反應(yīng)體系的粘度，促進(jìn)物質(zhì)傳質(zhì)并提高反應(yīng)活性，促進(jìn)灰分的分離，利用酸性糖基天然低共熔溶劑對生物質(zhì)中堿土金屬的溶解作用達(dá)到分離灰分的效果。此外，通過二氧化碳增加反應(yīng)體系壓力有助于提高生物質(zhì)與酸性糖基天然低共熔溶劑的接觸效果并增加溶劑的質(zhì)子供給能力，從而提高灰分去除率，本方法最高的灰分去除率達(dá)到96.8%。

技術(shù)研發(fā)人員：郭海心,姚正源,季晨曦,初仁生,劉柏松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15