生物炭/蒙脱土复合材料的结构与性能控制及生产工艺设计

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近年来,通过生物质(如木质纤维素)的催化热裂解反应制备生物炭/粘土复合材料是科研人员开发利用可再生资源的主要途径之一。然而,由于生物质本身复杂的组成,导致其炭化效率低下,能耗较大,产品得率较低。蒙脱土(MMT)作为一种多化学特性的粘土矿物,可以催化转化生物质在较低温度下充分炭化并生成多孔结构的碳复合材料。此外,生物质炭具有高度稳定性和较强的养分吸附持留特性,结合蒙脱土的吸附特性,可以用来制备缓释肥。因此,本文采用竹粉作为生物质原料,按一定比例与蒙脱土混合,进行低温热解实验,制备生物炭/蒙脱土复合材料(BMCs),研究低温热解条件(300-500℃)下温度对材料的结构、炭化程度、重量产率的影响。所得样品采用X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、微分热重分析(DTG)、扫描电镜(SEM)、N2等温吸附脱附(BET)、元素分析等技术进行表征,分析产物的结构性能。并采用TFC-203型智能土肥养分综合测试仪探究BMC对氮、磷、钾三种肥料的缓释性能。实验结果表明:(1)层间距d001随着温度的升高而减小,证明层间水失去;300℃下制备的BMC在1608cm-1和2932cm-1波长处出现纤维素、木质素等糖类化合物的伸缩振动峰,且随着热解温度升高而逐渐减弱,到400℃已基本消失,说明蒙脱土对生物炭炭化起到促进作用。(2)不同制备条件对生物炭/蒙脱土复合材料的结构和性能产生影响。热解温度越高,炭化程度越高,产率越低。淋溶实验得出最佳生物炭/蒙脱土复合缓释肥制备条件为,浸渍法:热解温度400℃,原料质量比竹粉:蒙脱土=1.5:1,加热速率5K/min;掺混法:热解温度450℃,原料质量比竹粉:蒙脱土=2:1,加热速率5K/min。(3)BET和SEM结果表明,400℃下制备的BMC的比表面积相对较大,表明蒙脱土强吸附在生物炭的表面,催化竹粉低温炭化形成介孔复合材料。表征结果同样证明了三种BMC缓释肥的成功制备。(4)NH4HCO3和 KCl 的吸附较符合 Freundlich 模型,NH4HCO3和KCl的吸附发生在固液交界面,主要作用力为分子间作用力,偏向物理吸附;Ca3(PO42比较符合Langmuir模型,Ca3(PO42的吸附偏向化学吸附,吸附剂对溶质的吸附可能是因为它们之间的化学作用或离子交换作用而引起的。
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