一種稻草生物質(zhì)炭基尿素及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及尿素技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種稻草生物質(zhì)炭基尿素及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]施肥已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的技術(shù)措施之一，對作物生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率超過一半。中國肥料利用率一直比較低，如氮肥當(dāng)季作物的利用率平均只有30%左右，比發(fā)達(dá)國家低近20個(gè)百分點(diǎn)，這一方面是因?yàn)榉强茖W(xué)的施肥方法，另一方面則是由于肥料本身的特性。提高肥料利用率刻不容緩，研發(fā)施用新型多功能肥料，是提高肥料利用效率重要的途徑之一O
[0003]生物質(zhì)炭是生物質(zhì)高溫裂解的固體產(chǎn)物，具有很多特異的性質(zhì)，如多孔、高度穩(wěn)定性、高度芳香化、表面有大量的多種官能團(tuán)，同時(shí)帶有正負(fù)2種電荷，能夠吸附分子和陰陽離子、極性和非極性物質(zhì)。原材料、裂解溫度、裂解時(shí)間等是影響生物質(zhì)炭物理、化學(xué)特性的主要因素，一般說來，在一定范圍內(nèi)，隨著裂解溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長，生物質(zhì)炭的比表面積增大、芳香化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，灰分含量及PH升高，速效養(yǎng)分和鈣、鎂含量也隨之升高。
[0004]農(nóng)作物秸桿是一種有機(jī)物，其中碳、氧、氫三種化學(xué)成分總和占95%以上，其余為鉀、氮、磷、硅、鈣、鎂、硫、鐵、鎂等礦質(zhì)元素；有機(jī)成分以纖維素、半纖維素為主，其次是木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分等。稻草主要成分為:全氮8.1克/千克，全碳426.1克/千克，碳/氮(C/N) 52.6，水溶性氮2.7克/千克，水溶性碳45.7克/千克，水溶性碳/氮(C/N) 16.9，半纖維素177.9克/千克，纖維素288.4克/千克，木質(zhì)素61.3克/千克，二氧化硅152.3克/千克。我國每年有稻草約1.8億噸，占全國秸桿總量的25.4%，是我國第一大秸桿資源，是開發(fā)新型有機(jī)物原料的寶貴資源。目前約10?20%的稻草秸桿作草食動(dòng)物飼料；20%左右直接作為燃料或生物質(zhì)能源；造紙或其它工業(yè)原料不到3%，其余的大部分稻草秸桿被閑置廢棄形成新的農(nóng)業(yè)垃圾或就地焚燒污染環(huán)境。
[0005]尿素，又稱碳酰胺，是一種白色晶體。最簡單的有機(jī)化合物之一。碳酸的二酰胺，分子式Sh2nconh2。哺乳動(dòng)物和某些魚類體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝分解的主要含氮終產(chǎn)物。尿素也是目前含氮量最高的氮肥，作為一種中性肥料，尿素適用于各種土壤和植物。它易保存，使用方便，對土壤的破壞作用小，是目前使用量較大的一種化學(xué)氮肥。
[0006]但是，目前未見利用稻草生物質(zhì)炭和尿素的研宄報(bào)道。因此，研發(fā)一種稻草生物質(zhì)炭基尿素以顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種稻草生物質(zhì)炭基尿素的制備方法，該制備方法將廢棄資源稻草制得稻草生物質(zhì)炭，再和尿素復(fù)配制得稻草生物質(zhì)炭基尿素，大大降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染，可以帶來良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用的價(jià)值；且該制備方法工藝簡單，操作控制方便，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種稻草生物質(zhì)炭基尿素，該稻草生物質(zhì)炭基尿素利用稻草生物質(zhì)炭的物理性能，實(shí)現(xiàn)了對尿素的有效緩釋，延長了尿素的作用時(shí)間，提高了尿素的利用率，為作物在生長期中長時(shí)間充足的營養(yǎng)供應(yīng)，并且為作物營養(yǎng)強(qiáng)化提供了很好的技術(shù)支持。該稻草生物質(zhì)炭基尿素在玉米、大豆、水稻等多種糧食作物及蔬菜、果樹中施用，可以實(shí)現(xiàn)一次施肥后期不用追肥，有效提高土壤有效成分的水平，作物籽粒營養(yǎng)成分的含量及產(chǎn)量明顯提升，肥效持久，增產(chǎn)增收。
[0009]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種稻草生物質(zhì)炭基尿素的制備方法，包括如下步驟:
(1)將稻草高溫裂解，得到稻草生物質(zhì)炭和可燃性氣體；
(2)將尿素的原料和占尿素總原料重量12-16%的稻草生物質(zhì)炭混合后熔融、造粒，收集粒料；其中，熔融所需的熱量由所述可燃性氣體燃燒提供；
所述尿素包括如下重量份的原料:顆粒尿素40-80份、尿素增效劑0.5-1.5份、尿素防結(jié)塊劑0.08份-0.12份、尿素改性劑0.5-1.5份；
(3)將收集的粒料負(fù)壓冷卻，進(jìn)行篩選；
(4 )將篩選后的粒料進(jìn)行包膜，包裝出貨，制得稻草生物質(zhì)炭基尿素。
[0010]本發(fā)明的制備方法將廢棄資源稻草制得稻草生物質(zhì)炭，再和尿素復(fù)配制得稻草生物質(zhì)炭基尿素，大大降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染，可以帶來良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用的價(jià)值；且該制備方法工藝簡單，操作控制方便，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟(I)具體為:將稻草粉碎至粒徑1-2_，將粉碎后的稻草干燥至含水率小于5%，得到生物質(zhì)物料；將裂解催化劑和生物質(zhì)物料按重量比0.5-1.5:100放入高溫?zé)峤鉅t裂解內(nèi)進(jìn)行高溫裂解，得到稻草生物質(zhì)炭和可燃性氣體；其中，高溫裂解的溫度為500-700°C，高溫裂解的時(shí)間為60-120min。
[0012]生物質(zhì)經(jīng)高溫裂解會(huì)產(chǎn)生生物質(zhì)炭、焦油和可燃性氣體，裂解催化劑的加入可以催化焦油裂解，裂解催化劑能夠在較低反應(yīng)溫度下得到較高的焦油去除率，而且還能提高氣體熱值和產(chǎn)量。
[0013]優(yōu)選的，所述裂解催化劑由以下重量百分比的物質(zhì)組成！CeO2 10-20%、CuO 1-5%,N1 2-4%、RuO2 1_2%，余量為催化劑載體；其中，所述催化劑載體由以下重量百分比的物質(zhì)組成:HZSM-5分子篩70-85%、氧化鋁粘合劑15-30% ;所述HZSM-5分子篩的BET法比表面積彡310m2/g、硅鋁比為15-50、孔徑為0.53-0.58nm、相對結(jié)晶度彡95%、殘鈉含量彡0.lwt% ；所述氧化鋁粘合劑是經(jīng)硝酸膠溶的、BET法比表面積為240-280m2/g、孔容為0.35-0.45ml/g的小孔氧化鋁。
[0014]所述裂解催化劑的制備方法包括如下步驟:
(1)將HZSM-5分子篩加入氧化鋁粘合劑中，并加入造孔劑CMC和助擠劑田菁粉，經(jīng)混捏、碾壓成團(tuán)后，再擠條成型、干燥、焙燒得催化劑載體；所述造孔劑CMC和助擠劑田菁粉的加入量均為HZSM-5分子篩與氧化鋁粘合劑質(zhì)量和的0.5-2% ；
(2)用飽和浸漬法分別負(fù)載金屬元素，經(jīng)干燥、焙燒得催化劑。
[0015]所述步驟(I)中，干燥的條件為:60-85°C干燥2-3h，再于100_120°C干燥12_24h。
[0016]所述步驟(2)中，干燥的條件為0.06-0.08Mpa、60_85°C下干燥l_3h，再于0.06-0.08Mpa、60-85°C 下干燥 l_3h。
[0017]所述步驟(I)和步驟(2)中，焙燒條件均為400_650°C下焙燒3_15h。
[0018]所述步驟(2)中，用飽和浸漬法分別負(fù)載金屬元素包括以下步驟:
Ca)采用飽和浸漬法用硝酸鈰溶液浸漬步驟(I)得到的催化劑載體，浸漬時(shí)間為12-20h，在60-85°C真空干燥l_3h之后，于400-600°C溫度下焙燒5_8h ；
(b)采用飽和浸漬法用硝酸鎳、硝酸銅以及三氯化釕混合溶液浸漬步驟(a)得到的催化劑載體，浸漬時(shí)間為18-24h。
[0019]本發(fā)明的裂解催化劑采用高表面積以及酸性適度的HZSM-5分子篩為酸性載體，保證裂解的活性；活性金屬負(fù)載的過程中采用真空干燥法，使得活性組分徑向分布更加均勻，保證了活性組分有更高的分散性，進(jìn)而保證催化劑具有高的焦油裂解活性和穩(wěn)定性。
[0020]本發(fā)明裂解催化劑采用Ce02為助催化劑，同時(shí)添加貴金屬氧化物Ru02，提高了催化劑的抗積炭性能，催化劑中形成的N1-Cu合金催化劑，發(fā)揮了金屬催化劑的協(xié)同作用，同時(shí)貴金屬的氫溢流保證了金屬的還原性。
[0021]生物質(zhì)炭在提高作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤養(yǎng)分、增加土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)改良修復(fù)、受污染環(huán)境修復(fù)以及溫室氣體減排等各方面都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，作為一類新型環(huán)境功能材料在當(dāng)今社會(huì)弓I起廣泛關(guān)注。
[0022]生物炭有著巨大的表面積和繁多的小孔結(jié)構(gòu)，這種孔洞結(jié)構(gòu)更容易聚集吸收營養(yǎng)養(yǎng)分物，促進(jìn)有益微生物的生長，從而使土壤變得更肥沃，有利于植物的生長，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色農(nóng)業(yè)。所以，生物質(zhì)炭不僅能減少溫室氣體，如甲烷、氧化亞氮和二氧化碳排放的效果，而且對改善土壤健康、減少養(yǎng)分流失、恢復(fù)土壤肥力、提高肥料的利用效率、提高土壤生產(chǎn)力具有積極作用。
[0023]生物質(zhì)炭中含有豐富的空隙和有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，在和肥料配施的情況下，在土壤中較易形成大團(tuán)聚體，增進(jìn)土壤的養(yǎng)分離子的吸附和保持，土壤中的NH4+吸附與固持作用得以明顯增強(qiáng)，提高了作物對氮的利用率，從而使氮素?fù)p失得到降低。另外，生物質(zhì)炭在土壤中存在一定時(shí)間后表面部分會(huì)被輕度氧化形成羰基、酚基等，這有助于增加土壤的陽離子交換量。生物質(zhì)炭對NH4+和NO3-具有較強(qiáng)的吸附特性，從而能夠持留土壤中的氮素，有效降低農(nóng)田土壤氨的揮發(fā)和控制土壤氮養(yǎng)分的淋瀝流失，這些特性使生物質(zhì)炭能夠有效