亚法糖厂滤泥制备生物炭及其缓释肥料的初步研究

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滤泥是制糖生产的一项大宗产物,由于含水量高,不便于运输、保存和使用等弊端,成为环境的负担。然而,滤泥是很好的生物质资源,具有良好的综合利用前景。开发滤泥的综合利用对延长制糖产业链,提高糖厂经济效益具有重要意义。生物炭基肥是一种新型的高效缓释肥,不仅可以改善土壤环境,还可以缓慢释放肥料养分,对作物生长和产量具有更稳定的促进作用。本研究以糖厂滤泥为生物质碳源,制备生物炭,然后制备炭基缓释肥,提高滤泥资源化利用价值,促进糖业健康可持续发展。课题首先借助热重分析仪,对滤泥的热解特性和热解动力学热力学性质进行研究,然后,以慢速热解方法进行热解制备生物炭,探究不同温度条件下生物炭的特性、理化性质、表面特性和吸附特性。最后,在优化的条件下制备生物炭。以造粒的方式进行制备尿素生物炭基肥料,通过对肥料的成型效果、抗最大压缩力强度和淋溶效果进行测定,对肥料的成型情况、力学性能和缓释效果进行研究。具体研究内容及结果如下:1.对滤泥先进行工业分析和元素分析,然后在氮气氛围下以5、10、15、20、25、30℃/min加热速率从室温加热到800℃,进行热重分析(TGA)热解试验,结合Kissinger,FWO和KAS三种无模型等转化率方法,研究滤泥的热解动力学。结果表明,C、H、N、S和O的含量分别为占重量百分比的24.96%、4.04%、1.98%、5.82%和 18.86%,灰分含量为44.34%,挥发分含量为52.88%,HHV为11.39 MJ/kg。滤泥热解主要分为三个阶段,主要失重过程在150-510 ℃之间,且在较低的加热速率下更加有利于滤泥的热解。基于FWO和KAS方法计算出来的平均Eα为322.28 kJ/mol和321.93 kJ/mol,平均ΔH为289.04 kJ/mol和288.24 kJ/mol,平均ΔG为207.87 kJ/mol和208.01 kJ/mol,ΔS由负值持续增加为正值,表明滤泥是一种非常具有潜力的生物质材料,整个热解过程符合热力学第二定律是一个复杂多步的吸热过程。2.通过在200、300、400、500、600℃的温度下热解制备生物炭,并测定生物炭的一系列指标。结果表明,热解温度对生物炭的性质有着显著的影响。随着热解温度升高,生物炭产率和挥发分下降、灰分含量上升,pH值不断增加,表面官能团和酸性官能团数量下降,表面的C-O和C-O-C等活性官能团以及-CH3和-CH2逐渐消失,H/C、O/C、(N+O)/C的原子比降低,这表明生物炭芳香性以及稳定性增强,亲水性和极性减弱。对碘值的吸附能力持续上升,在500℃条件下制备的生物炭碘值吸附值达到最大为170.38 mg/g。3.对200、300、400、500、600℃的温度下进行热解制备生物炭进行表面特性分析和吸附特性分析。实验结果表明,热解温度对生物炭的平均孔径、孔容、孔径分布以及比表面积影响显著,热解制备温度的提高有利于生物炭孔隙结构的发育,热解温度在500℃时,生物炭的比表面积达到最大值83.71 m2/g。在等量的生物炭添加量下,5种制备温度下生物炭对尿素的吸附情况,在吸附时间为40 min,吸附温度为45℃,尿素溶液初始浓度为100mg/mL时,吸附效果最佳。另外,在500℃下制备的生物炭的吸附效果明显优于其他温度下制备的生物炭。4.利用造粒方法制备出炭基尿素肥料,结果表明,选择22-26%的水添加量有利于生物炭基肥料的成型和提高最大破碎压缩力强度。生物炭含量增加,肥料的成型率和抗破碎压缩力强度越低。缓释肥料缓释效果明显优于传统肥料,且随生物炭含量和可溶性淀粉含量增加其缓释效果越好。从成型率、抗最大破碎压缩力、缓释性能和经济性等各个方面考虑,当选择尿素和生物炭比例为1:5,可溶性淀粉含量为10%,水添加量为24%时,其炭基肥料缓释效果最好,并且炭基肥的释放属于一级释放模型,其释放机理为扩散作用。
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