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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910396279.2(22)申请日 2019.05.13(71)申请人 中山大学地址 510275 广东省广州市新港西路135号(72)发明人 赵楠 卢麒宇 向勇杰 杨澄澄 年璐颖 章卫华 仇荣亮 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限公司 44202代理人 颜希文 宋静娜(51)Int.Cl.C01B 32/05(2017.01)C05D 9/00(2006.01)C05G 3/04(2006.01)A01C 21/00(2006.01)C09K 17/02(2006.01)A01B 79/00(2006.01)(54)发明名称一种改性生物炭及其制备方法和应用(57)摘要本发明提供了一种改性生物炭及其制备方法和应用，所述生物炭由生物质原料和铁盐制备，制备过程包括：将生物质原料热裂解得到生物炭；将所述得到的生物炭充分浸渍于铁盐溶液中得到浸渍后的原料；将浸渍后的原料干燥后于惰性气体氛围下在450-600℃下焙烧即得到所述改性生物炭。
本发明的改性生物炭可以显著降低土壤中二氧化碳的释放，有助于减少土壤有机碳的损失，还可以提高土壤有机碳的累积，改善土壤质量，缓冲日益加剧的温室效应的影响。
本发明的制备方法成本低，工艺简单。
权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 110217772 A 2019.09.10C N 110217772A权 利 要 求 书1/1页CN 110217772 A1.一种改性生物炭，其特征在于，所述改性生物炭由生物质原料和铁盐制备，制备过程包括：将生物质原料热裂解得到生物炭；将所述得到的生物炭充分浸渍于铁盐溶液中得到浸渍后的原料；将浸渍后的原料干燥后于惰性气体氛围下在450-600℃下焙烧即得到所述改性生物炭。
2.根据权利要求1所述的改性生物炭，其特征在于，所述生物质原料选自秸秆、树叶或者草本植物，所述铁盐为硝酸铁、硫酸亚铁、氯化铁中的至少一种；所述生物质原料和铁盐的用量质量比为1：1-2。
生物炭的制备
生物炭的制备包括以下几个步骤：
一、材料准备：飞灰、煤渣或木屑均可用于生物炭的生产，可以根据实际需要选择不同种类和混合比例的材料，煤渣使用时应注意材料粒度控制，煤渣粒度控制在0.5-5mm之间最佳。
二、发热：将材料送入炉中，开始完成发热过程。
发热过程需要控制好温度，在温度在200-600℃之间进行，同时需要完成热风及气体流量、温度控制。
三、碳化：在发热过程中，材料从外观破碎变为流动状态，并在一定温度下形成碳氦。
四、活性：将碳氦加热到500-800℃，有利于碳氦的活性增强，活性化处理可改善炭的表面性能。
五、净化：将炭净化中去掉杂质，达到产品标准的要求，净化的过程有洗涤、漂白、磁选等；
六、成型：将活性炭经过分级筛分、吸水作用、压制成型；
七、干燥：将压制成型的生物炭通过一定温度下的烘干工艺，使其质量稳定。
一种生物炭制作方法生物炭制作是一种将有机废料转化为一种稳定、高效、多功能的碳质产品的过程，它广泛应用于农业、环境保护和能源等领域。
下面将介绍一种常见的生物炭制作方法。
材料准备：1.有机废料：包括农作物秸秆、木屑、枯枝败叶等。
2.火源：可以使用燃气、木柴、秸秆等作为火源。
3.容器：一般使用金属容器，如铁桶、钢管等。
制作步骤：1.废料处理：将有机废料进行处理，去除大块的杂质和异物。
可以通过筛网、手工拣选等方式进行处理。
2.制作炭窑：选择一个合适的地点，确保制作过程中的通风条件。
在地面上铺上一层耐高温材料，如石板、砖头等，以防止火源直接接触地面。
3.堆放废料：将处理后的有机废料均匀地堆放在炭窑上，形成一个圆锥形的堆体。
4.封堆炭窑：用涂有黏土的稻草或土堵住堆体顶部，以减少氧气进入，创造较低的气氛。
5.点火：在废料的下部点火，使其燃烧。
燃烧时应控制火势，避免废料燃烧过快或过慢。
6.炭燃尽：当火势减弱时，说明有机废料已经燃烧结束。
此时需要继续封堵堆体，防止进一步氧化和燃烧。
7.冷却处理：待堆体完全冷却后，打开炭窑顶部封堵物，取出生物炭。
8.粉碎筛分：根据不同的用途和需求，可以对生物炭进行粉碎和筛分，得到的颗粒大小和形状更适合具体的应用。
9.储存：将生物炭储存在通风、干燥的地方，并注意防潮、防虫。
生物炭的制作方法可以根据实际情况进行调整和改良，以适应不同的生产条件和要求。
例如，在制作炭窑时可以使用钢筋和砖头搭建一个坚固的炭窑结构，以提高炭窑的稳定性和寿命。
此外，还可以添加一些助燃剂或助炭剂，提高生物炭的产量和质量。
生物炭制作具有较好的环境效益和经济效益。
通过将有机废料转化为生物炭，不仅可以减少有机废料对环境的污染，还可以将其转化为有价值的碳质产品，广泛应用于农业土壤改良、环境修复和能源生产等领域。
在农业上，生物炭可以改善土壤结构，增加土壤保水保肥能力，促进植物生长；在环境保护上，生物炭可以吸附重金属、农药等有害物质，净化土壤和水体；在能源方面，生物炭可以作为生物质燃料，提供热能和电能。
生物炭的制备与活化方法生物炭是一种新型的炭材料，在环境治理、农业循环利用等领域具有广阔的应用前景。
制备生物炭的方法主要有热解法、氧化法、化学方法等。
其中，热解法又可分为固体热解法和气相热解法。
具体制备方法如下：1. 固体热解法固体热解法是将原料混合物放置在加热炉中进行热解，可将高纤维半纤维材料生产生物炭。
该法制备生物炭的步骤如下：（1）制备原料混合物，包括木屑、杂草、秸秆等高纤维半纤维材料。
（2）将原料混合物放置在加热炉中进行热解，当加热到约300℃时，原料中的水分开始挥发，随着温度的升高，挥发性有机物逐渐分解，剩余物质逐渐变黑，形成炭化层。
（3）炭化过程一般需要5-6小时，根据原料类型和设备不同，时间会有所变化。
（4）将得到的生物炭进行破碎、筛分等处理，以便于存储和使用。
气相热解法是指在高温下将原料热分解成生物炭和油气，主要应用于高温热解有机物质。
其制备步骤如下：（1）将原料放入热解釜中，并在气体底部加热。
（2）当温度达到450-500℃时，原料中的挥发性有机物开始分解，生成大量可燃气体和液体油脂。
（3）随着温度升高，有机物分解的速度加快，生成更多的油气和炭质颗粒。
（4）生物炭与油气混合流出后，炭质颗粒通过旋风分离器、过滤器等设备进行分离。
3. 化学方法化学方法是将原料经过一系列化学反应，生成生物炭。
主要有活化炭化法、物理化学法、硝化法、氧化法等方法。
生物炭的化学方法制备步骤如下：（1）将原料混合物放入反应釜中加热至适当温度。
（2）加入适量催化剂或氧化剂，促进原料分解反应。
（3）在反应过程中控制反应温度、时间和气氛等参数，使原料得到完全炭化。
活化是化学方法制备生物炭中的一种常见方式，是指将生物炭置于强酸或强碱溶液中进行处理。
通过此方法，生物炭表面的微孔和孔径大小可控制，并且增加了活性，提高了生物炭的性能和应用领域。
总之，生物炭的制备方法多种多样，不同原料、设备和工艺条件可产生不同的生物炭。
制备生物炭需要考虑原料成本、能源消耗、工艺条件、质量控制等因素，并在此基础上选择合适的炭化方法。
本技术是生物改性竹炭的制备方法，包括如下步骤：1）竹炭微生物固化装置装填了在9001100℃条件下烧制的竹炭；2）烧制的竹炭经破碎后，筛分出直径为4~5mm的颗粒；3）将筛分出来的竹炭放在竹炭微生物固化装置中的真空接种箱内；4）在真空接种箱内引进工程微生物HI DEM菌剂，菌剂与原水混合比例为1/1000体积比，使稀释培养液浸没竹炭颗粒，投菌量与竹炭比例为40mL培养液/10g竹炭；5）采用循环增减大气压方法处理接种箱；6）采用静止培养的方法处理接种箱，为710天。
优点：制备得到固定化微生物竹炭，采用脂磷法对生物量进行测定，结果表明本方法有效，可满足生物竹炭接触过滤床固定化微生物数量需求。
技术要求
1.生物改性竹炭的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）竹炭微生物固化装置装填了在900-1100℃条件下烧制的竹炭；
2）将烧制的毛竹竹炭经破碎后，筛分出直径为4~5mm的颗粒；
3）将筛分出来的毛竹竹炭颗粒放在竹炭微生物固化装置中的真空接种箱内；
4）在真空接种箱内引进工程微生物HI-DEM菌剂，菌剂与原水混合比例为1/1000体积比，使稀释培养液浸没竹炭颗粒，投菌量与竹炭比例为40mL培养液/10g竹炭；
5）采用循环增减大气压方法处理接种箱；
6）采用静止培养的方法处理接种箱，时间为7-10天；
所述采用循环增减大气压方法处理接种箱，包括如下步骤：
1）通过真空抽气泵对竹炭微生物固定装置进行抽负压；
2）关闭真空接种箱的空气阀门、A阀门和C阀门，打开B阀门，开启抽真空装置；
3）由A限压阀控制接种箱内真空度为负1个大气压4小时；
4）进行加正压，打开A阀门和C阀门，关闭B阀门，向接种箱内压入空气，由B限压阀控制接种箱内压力为正1个大气压4小时；
5）重复步骤1）至4），循环5次；
竹炭微生物固化装置，其结构是：真空抽气泵一路通过C阀门、B限压阀进入真空接种箱；
所述竹炭微生物固化装置其结构是真空抽气泵的另一路通过B阀门、A限压阀进入真空接种箱；真空抽气泵与B阀门间是A阀门，真空接种箱上设空气阀门盖。
技术说明书
生物改性竹炭的制备方法
技术领域
本技术是一种生物改性竹炭的制备方法，属于生物改性竹炭制备技术领域，乃是通过培养高效的微生物菌群，采用循环增减大气压与静止培养相结合的方法，将其固定在竹炭表面和内部孔隙上，制备得到固定化微生物竹炭。
背景技术
固定化微生物技术是70年代末由固定化酶技术发展起来的，它是指通过物理或化学手段将游离的微生物固定在限定的空间区域并使其保持活性、可反复利用的方法；固定微生物的方法大致可以分为包埋法、吸附法、共价结合法和交联法。
其中吸附法具有反应温和、对细胞活性影响较小、操作简单、载体可重复利用等优点，是传统的固定微生物的方法；由于竹炭具有较大的比表面积和合理的孔径分布，所以吸附法也是其固定化微生物最常用的方法。
技术内容
本技术提出的是一种新的生物改性竹炭的制备方法，其目的在于，将游离的微生物固定在竹炭表面和内部孔隙上，通过培养高效的微生物菌群，采用循环增减大气压与静止培养相结合的方法，将其固定在竹炭表面和内部孔隙上，制备得到固定化微生物竹炭。
本技术的技术解决方案：生物改性竹炭的制备方法，包括如下步骤：
1）竹炭微生物固化装置装填了在900-1100℃条件下烧制的竹炭；
2）将烧制的毛竹竹炭经破碎后，筛分出直径为4~5mm的颗粒；
3）将筛分出来的毛竹竹炭颗粒放在竹炭微生物固化装置中的真空接种箱8内；
4）在真空接种箱8内引进工程微生物HI-DEM菌剂，菌剂与原水混合比例为1/1000（体积比），使稀释培养液浸没竹炭颗粒，投菌量与竹炭比例为40mL培养液/10g竹炭；
5）采用循环增减大气压方法处理接种箱；
6）采用静止培养的方法处理接种箱，时间为7-10天。
本技术的优点：
1）采用毛竹竹炭，由于毛竹竹炭能够为各种具备功能多样性的微生物提供培育和生长的优良载体，并且其孔隙结构具备良好的复杂性和稳定性，在最佳炭化温度900℃的条件下，毛竹竹炭相关性能指标（比表面积357.6m2/g、炭得率29.9%、大孔率64%、灰分4.69%、挥发分2.64%以及充填密度0.71g/mL）优于绿竹、雷竹和大木竹制备的竹炭，因此毛竹更适合作为炭化材料；
2）本技术以HI-DEM菌剂为稀释培养液，以正负1个大气压循环作用与静止培养相结合的方法对竹炭进行微生物固定化。
培养3d后通过脂磷法测得单位质量竹炭负载的微生物量达到了6.3×1010个/g，制备得到有效的固定化微生物竹炭。
附图说明
图1是竹炭微生物固化装置的结构示意图。
图中的1是真空抽气泵、2是A阀门、3是B阀门、4是A限压阀、5是C阀门、6是B限压阀、7是空气阀门盖、8是真空接种箱。
具体实施方式
如图所示，竹炭微生物固化装置，为密闭有机玻璃结构，规格为80cm×80cm×80cm的正方体，留有真空抽气孔和加压进气孔，装填了在900℃条件下制备的竹炭颗粒；
竹炭微生物固化装置的结构是真空抽气泵1一路通过阀门5、B限压阀6进入真空接种箱8；
真空抽气泵1的另一路通过B阀门3、A限压阀4进入真空接种箱8；
真空抽气泵1与B阀门3间是A阀门2, 真空接种箱8上设空气阀门盖7。
实施例
制备生物改性竹炭，包括如下步骤：
1）竹炭微生物固化装置装填了在900℃或 1000℃或1100℃条件下烧制的竹炭；
2）将烧制的毛竹竹炭经破碎后，筛分出直径为4mm或4. 5mm或5mm的颗粒；
3）将筛分出来的毛竹竹炭颗粒放在竹炭微生物固化装置中的真空接种箱8内；
4）在真空接种箱8内引进工程微生物HI-DEM菌剂，菌剂与原水混合比例为1/1000（体积比），使稀释培养液浸没竹炭颗粒，投菌量与竹炭比例为40mL培养液/10g竹炭；
5）采用循环增减大气压方法处理接种箱；
6）采用静止培养的方法处理接种箱，时间为7天或8天或10天。
所述采用循环增减大气压方法处理接种箱，包括如下步骤：
1）通过真空抽气泵1对竹炭微生物固定装置进行抽负压；
2）关闭真空接种箱8的空气阀门、A阀门2和C阀门5，打开B阀门3，开启抽真空装置；
3）由A限压阀4控制接种箱内真空度为负1个大气压4小时；
4）进行加正压，打开A阀门2和C阀门5，关闭B阀门3，向接种箱8内压入空气，由B限压阀6控制接种箱8内压力为正1个大气压4小时；
5）重复步骤1）至4），循环5次，持续时间为3天。
将烧制的竹炭经破碎后，筛分出直径为4~5mm的颗粒；然后将筛分出来的竹炭放在竹炭微生物固化装置中的真空接种箱8内，同时在真空接种箱8内引进工程微生物HI-DEM菌剂，菌剂与原水混合比例为1/1000（体积比），使稀释培养液浸没竹炭颗粒，投菌量与竹炭比例为40mL培养液/10g竹炭。
本技术采用脂磷法对生物量进行测定。
采用原位法来测定单位质量竹炭所固定的微生物数量。
原位法测定不需要将生物膜与载体进行分离以及将菌胶团破碎成单细胞悬浊液，而是多采用生物化学和物理方法等，本技术采用脂磷法作为原位测定方法。
其结果显示当前单位竹炭质量负载的固定化微生
物量达到6.3×1010个/g，满足生物竹炭接触过滤床固定化微生物数量需求。
脂磷存在于所有的生物细胞内，其含量常常作为系统内的活性生物量的指标，所以脂磷法是一种具有较高精确度和适用性的方法并在当前众多测定微生物数量的水处理研究中得到了广泛应用，本技术采用1g载体所能固定的微生物（大肠杆菌大小）的个数来表示脂磷的含量。
实验选取经过3d左右培养的固定化微生物竹炭（取自上层竹炭反应器，位于表面以下
10cm处），肉眼可观察到竹炭表面形成了一层黄褐色的生物膜。
