一种利用花生渣制备固体有机肥的方法及产物与流程

1.本发明属于农业肥料技术领域，具体涉及一种利用花生渣制备固体有机肥的方法及产物。


背景技术：

2.生物有机肥是一类土壤友好型的肥料，作为化肥的替代品正得到广泛的推广使用。生物有机肥以畜禽粪便、城市生活垃圾、农作物秸秆、农副产品和食品加工产生的有机废弃物为原料，经过堆肥、沤肥和发酵等工艺加工制成，可以显著提高养分利用率、土壤疏松程度和改善土壤理化性质。花生渣是农副产品废弃物的典型代表，含有丰富的营养成分，可以用来制备固体有机肥。
3.目前公开的以花生渣作为原料制备有机肥料研究已经比较广泛。国内2007年8月8日公开的cn101012136a发明专利介绍了一种有机肥料及其制备方法，由花生渣、禽粪和泥炭按一定比例组成，在25～30℃发酵3～10天。该有机肥料养分均衡，能够改善作物品质。国内2016年11月23日公开的cn106146059a发明专利介绍了一种有机肥料，该肥料由花生渣、鸡粪、草木灰等原料按一定比例混合，在常温下发酵12天制得。该肥料制备方法简单，成本低，含有植物生长所需的各种营养物质。国内2018年8月10日公开的cn108383660a发明介绍了一种农业种植多功能有机肥料，该肥料由花生渣、牛粪、秸秆、微量元素等原料按一定比例混合。该发明能够较好的满足了农作物生长所需要元素，适应多数农作物，改善土质。
4.上述技术存在不足之处在于：所制得的肥料虽然养分均衡，可以改善土壤；但是原料来源复杂，制肥周期很长，制肥过程中容易滋生有害病菌和引起二次污染等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用花生渣水热碳化制备固体有机肥的方法，可以显著缩短制备周期，避免环境污染；所制备出的固体有机肥满足中国农业有机肥标准《nyt525-2021》，且有机质含量高、重金属污染风险低，不含有害病菌。同时能够实现以玉米芯为代表的农林废弃物的增值利用。
6.水热碳化作为一种高效、环保的生物质处理方式，所需要的反应条件温和、对原料的预处理要求低，几乎不产生有害副产品，在制备土壤改良剂、吸附剂和生物有机肥上等方面有广泛的应用。通过水热碳化处理花生渣，能够缩短制备周期，制备出含有丰富养分、有机质高的固体有机肥。
7.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，包括如下步骤：
9.(1)将花生渣粉末或花生渣粉末和含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的混合物，加入水，搅拌混合均匀；
10.(2)惰性气体气氛下，将步骤(1)所得混合物搅拌反应；
11.(3)向步骤(2)所得混合物中加入有机溶剂混合，经过抽滤、洗涤、烘干、粉磨造粒，
得到固体有机肥。
12.优选的，步骤(1)所述花生渣粉末的粒径小于0.30mm；所述含纤维素/半纤维素的农林废弃物的粒径小于0.30mm。
13.进一步优选的，所述花生渣粉末和含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的制备为：将新鲜的花生渣和含纤维素/半纤维素的农林废弃物分别粉磨成粒径小于0.30mm的细颗粒，并干燥；
14.更优选的，所述干燥的温度为105-115℃，时间为12-24h；
15.优选的，步骤(1)中，所述含纤维素/半纤维素的农林废弃物为玉米芯；所述含纤维素/半纤维素的农林废弃物可以与花生渣在水热碳化过程中发生maillard反应，实现氮在固体有机肥的固定，同时能够实现对这类农林废弃物的增值利用。
16.优选的，步骤(1)所述水为去离子水。所述水的体积与花生渣粉末或花生渣粉末和含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的混合物的质量的比值为6-15ml:1g。进一步优选的，比值为10ml:1g。
17.优选的，步骤(1)中，所述花生渣粉末和含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的混合物中含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的质量分数为0％-95％，且不为0。
18.进一步优选的，所述花生渣粉末和含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的混合物中含纤维素/半纤维素的农林废弃物粉末的质量分数为25％-75％。
19.优选的，步骤(2)所述惰性气体为氮气或者氦气中的至少一种；所述惰性气体气氛的压力为0.2-0.5mpa。
20.优选的，步骤(2)中，所述惰性气体气氛为氮气，纯度为99.999％；操作为：向反应釜中通入0.1mpa氮气的同时，打开排气阀排出空气，5min后关闭排气阀，并将进气压力提高到0.3mpa，持续1min后关闭进气阀。
21.优选的，步骤(2)中，所述搅拌反应的温度为180℃-260℃；所述搅拌反应的时间为30min-240min；所述搅拌反应的速度为300-800rpm。
22.进一步优选的，所述搅拌反应的温度为240℃-260℃；所述搅拌反应的时间为60min-120min；所述搅拌反应的速度为500-600rpm。
23.优选的，步骤(3)所述有机溶剂为乙酸乙酯或二氯甲烷；所述有机溶剂的体积与步骤(1)所述水的体积比为1:1-1:2。
24.进一步优选的，所述有机溶剂的体积与步骤(1)所述水的体积比为1:2。
25.优选的，步骤(3)所述烘干的温度为105-115℃，时间为12-24h。
26.优选的，步骤(3)中，真空抽滤采用的分离仪器为砂芯漏斗，真空压力的最大值为0.1mpa。
27.上述的利用花生渣制备固体有机肥的方法制备得到的固体有机肥。
28.本发明具有如下优点及有益效果：
29.(1)本发明所述方法需要的反应装置简单，反应条件温和，反应溶剂为去离子水，能够极大缩短花生渣制备固体有机肥的时间，同时不会引起环境污染；所制备的固体有机肥满足《nyt525-2021》的要求，有机质含量高，重金属污染风险低且不含有害病菌。
30.(2)本发明所述方法还利用maillard反应，将花生渣和富含纤维素/半纤维素的农林废弃物混合水热碳化，可进一步提高固体肥中的氮回收率，降低灰分含量，避免过多盐分
对植物和土壤产生不利影响。
31.(3)本发明所述方法选用的玉米芯属于富含纤维素/半纤维素的农林废弃物，能够实现纤维素、半纤维素等生物质资源的增值利用。
附图说明
32.图1a为实施例1-6中花生渣原料灰分中的元素组成。
33.图1b为实施例1-6中玉米芯原料灰分中的元素组成。
34.图2a为实施例1中花生渣原料的表面微观结构图。
35.图2b为实施例1中花生渣水热碳化制备的固体有机肥的表面微观结构图。
36.图3a为实施例2中固体有机肥的表面微观结构图。
37.图3b为实施例3中固体有机肥的表面微观结构图。
具体实施方式
38.下面结合实施例对本发明进行具体地描述，但本发明的实施方式和保护范围不限于以下实施例。
39.实施例1
40.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
41.(1)将新鲜的花生渣粉磨成粒径小于0.18mm的细颗粒，并在105℃的干燥箱中烘干12h得到原料。
42.(2)称量10.00g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.3mpa。
43.(3)反应温度设定为240℃，磁子转速为500rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持60min。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
44.(4)向反应釜中加入50ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在110℃的干燥箱中烘干12h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
45.实施例2
46.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
47.(1)将新鲜的花生渣和玉米芯粉磨成粒径小于0.25mm的细颗粒，并在105℃的干燥箱中烘干16h得到原料。
48.(2)称量5.00g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中，同时添加5.00g玉米芯。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.2mpa。
49.(3)反应温度设定为240℃，磁子转速为700rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持60min。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
50.(4)向反应釜中加入70ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在105℃的干燥箱中烘干24h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
51.实施例3
52.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
53.(1)将新鲜的花生渣和玉米芯粉磨成粒径小于0.30mm的细颗粒，并在105℃的干燥箱中烘干24h得到原料。
54.(2)称量5.00g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中，同时添加5.00g玉米芯。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.4mpa。
55.(3)反应温度设定为260℃，磁子转速为600rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持60min，反应结束。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
56.(4)向反应釜中加入80ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在115℃的干燥箱中烘干16h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
57.实施例4
58.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
59.(1)将新鲜的花生渣和玉米芯粉磨成粒径小于0.25mm的细颗粒，并在105℃的干燥箱中烘干16h得到原料。
60.(2)称量5.00g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中，同时添加5.00g玉米芯。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.2mpa。
61.(3)反应温度设定为240℃，磁子转速为700rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持120min，反应结束。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
62.(4)向反应釜中加入70ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在105℃的干燥箱中烘干24h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
63.实施例5
64.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
65.(1)将新鲜的花生渣和玉米芯粉磨成粒径小于0.25mm的细颗粒，并在105℃的干燥箱中烘干16h得到原料。
66.(2)称量7.50g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中，同时添加2.50g玉米芯。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.2mpa。
67.(3)反应温度设定为240℃，磁子转速为700rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持120min，反应结束。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
68.(4)向反应釜中加入70ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在105℃的干燥箱中烘干24h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
69.实施例6
70.本实施例的一种利用花生渣制备固体有机肥的方法，其具体步骤为：
71.(1)将新鲜的花生渣和玉米芯粉磨成粒径小于0.25mm的细颗粒，并在105℃的干燥
箱中烘干16h得到原料。
72.(2)称量2.50g的花生渣，倒入容量为250ml的316l不锈钢反应釜中，同时添加7.50g玉米芯。向反应釜中倒入100ml去离子水，机械搅拌5min后，通入氮气排走空气，并维持反应釜内的初始压力位0.2mpa。
73.(3)反应温度设定为240℃，磁子转速为700rpm，反应釜温度以2℃/min的升温速率升到设定温度后维持120min，反应结束。反应结束后待反应釜自然冷却至100℃时，向反应釜的冷却盘管通入自来水加速冷却至室温后打开排气阀，排出反应釜中的气体。
74.(4)向反应釜中加入70ml乙酸乙酯混合后，经过抽滤、洗涤分离出固体产物。将固体产物在105℃的干燥箱中烘干24h后粉磨成粒，即可得到固体有机肥。
75.实施例1-6中所用的花生渣和玉米芯原料基本性质见表1，参照标准astm d2974
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14在550℃下制备出玉米芯和花生渣的灰分，此时原料中的金属元素沉积在灰分中。
76.图1a和图1b为通过能谱仪(eds)检测出花生渣和玉米芯原料中灰分的元素组成。由图1a和图1b知，玉米芯和花生渣原料中均不含有中国农业有机肥标准《nyt525-2021》中提到的as、hg、pb、cd和cr几种重金属元素。因此，本发明所提供的方法制备的固体有机肥不存在重金属污染的风险。
77.实施例1-6中所制得的固体有机肥，是在240℃-260℃下水热碳化制得固体产物，并在105℃下烘干12-24h后得到固体有机肥。固体有机肥的水分含量均低于中国农业有机肥标准《nyt525-2021》要求的水分含量小于30％，同时不含蛔虫卵和粪大肠菌，能够满足中国农业有机肥标准《nyt525-2021》的要求。
78.实施例1-6中所制得的固体有机肥的ph值参照中国农业有机肥标准《nyt525-2021》中的测试方法，所测得ph值均在5.5-8.5之间，满足《nyt525-2021》的要求。
79.实施例1-6中的花生渣原料和制备出来的固体有机肥基本性质见表1。由表1可知，花生渣原料中虽然总养分含量(n p2o5 k2o)达到了13.065％，但是c/n比值为4.78，灰分含量为6.675％。过小的c/n比值会对植物生长产生伤害，花生渣不适合直接作为有机肥料。
80.实施例1中花生渣经过水热碳化后，固体产物的总养分满足中国农业有机肥标准《nyt525-2021》中对总养分大于4.0％的要求，有机质满足大于30％的标准，其余指标均满足标准中的要求，c/n比值提高到了9.51，腐熟度适中，固体产物具备作为固体有机肥的潜力。但固体产物的产率仅为16.08％，n回收率为11.33％，灰分含量参照标准astm d2974
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14测定为11.519％。实施例2-3中通过添加质量分数为50％的玉米芯后，固体产物参照中国农业有机肥标准《nyt525-2021》发现依然具备作为有机肥的潜力，并且制备的固体有机肥品质高于实施例1。在实施例2中，固体有机肥的c/n比值升高至12.64，接近土壤中微生物菌体的c/n比值，固体产率升高至28.13％，灰分含量降低到了0.895％，n回收率升高至30.84％。实施例4中添加质量分数为50％的玉米芯后，将反应时间延长至120min，固体产物能够满足中国农业有机肥标准《nyt525-2021》的要求，总养分含量为6.331％，n回收率达到了34.90％。
81.本发明所提到的方法能够缩短花生渣制肥的时间，能够避免环境污染，所制备出得固体有机肥有机质含量高、重金属污染风险低和不含有害病菌，同时能够实现以玉米芯为代表的农林废弃物的增值利用。
82.表1
[0083][0084]
注：以上测试结果均在烘干基状态下测得。
[0085]
实施例1-3中所使用的花生渣原料和制备所得的固体有机肥产物的表面微观结构见图2a、图2b、图3a和图3b。实施例1中花生渣经过水热碳化后表面光滑、聚合的结构发生破坏，形成含球状颗粒、多孔的表面结构。实施例2和实施例3中所制得的固体有机肥的表面微观结构显示出了更多的球状颗粒和多孔结构。本发明所提出的方法能够使制备的固体有机肥具备更加疏松的多孔结构，从而具备更好的疏松土壤、吸附养分的性能。
[0086]
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。