一种生物质高效水热集成炭化工艺及其产物在炭基有机肥地膜制备上的应用的制作方法

1.本发明属于生物水热炭化工艺及产物应用的技术领域，具体涉及一种生物质高效水热集成炭化工艺及其产物在炭基有机肥地膜制备上的应用。


背景技术：

2.生物质泛指的是任何可再生的或可循环利用的有机质，其中包含动、植物，微生物及生命活动产生的所有的有机质，如：农、林生物质废弃物、畜牧粪便、废渣、污泥、生活垃圾及包括浒苔在内的藻类植物等。把这些错放位置的有效资源，如何变废为宝，这是一个极具挑战和亟待解决的问题，因为这个问题不仅涉及到环境质量影响和生命健康因素，还涉及到温室气体排放所导致的次生灾害性后果等。
3.目前我国已基本形成了对生物质多元化利用的格局，但总体上讲，生物质废弃物资源化利用，普遍存在着科技含量低、技术创新能力弱、规模化量产效应带动力小、产业发展速度迟缓等突出的瓶颈问题。随着全球变化形势的日趋严骏，减缓气候变化的需求日益强烈，急需一种生态循环模式来解决这个问题，为此利用生物质水热炭化技术应运而生，该技术已获得国际社会和环境科技界的普遍认可，其能够增加土壤固炭能力并净化水体，是林、田生物质固废物高值转化、减少温室气体排放的有效途径。
4.传统的生物质水热炭化技术以水为反应介质，在适当的催化改性剂参与和封闭缺氧条件下加热至一定温度进行反应，得到的产物称为水热生物炭。水热生物炭中10％以上的成分是c，除此之外，还含有h、o、n、s等元素，以及由这些元素所组构成的羧基、酚、醇羟基、内酯基等多种可参与化学反应的官能团，水热生物炭的微观结构是由高度扭曲状态的芳香环片层紧密堆积而成，所以具有孔层的结构和多孔性的比表面积，这些特性决定其是一种环境友好型碳吸附材料，同时也是制造石墨烯的平台材料，是材料家族中应用领域极其广泛且非常重要的材料之一，但现有的水热炭化技术都处于间歇式工艺实施状态，达不到连续化产炭的生产标准，并存在着工艺繁琐、耗时长、耗能大、产率低、炭品质无法控制和副产物无法得到再次利用等诸多问题。
5.故基于此，提出本发明技术方案。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物质高效水热集成炭化工艺及其产物在炭基有机肥地膜制备上的应用。在工艺实施过程中，不产生任何排放，真正达到了绿色环保、洁净连续化、规模化量产的目的，在温和、安全、稳定、高效的前提下，把三种不同型号的平行三螺杆秸秆分丝帚化机联动组合成为“z”字型三阶子母机(i-型
→
ii-型
→
iii-型)生产线，在多种机械力的协同作用下，实现了水热响应前体原料调质改性、连续化炭骨架生成、阶梯式炭骨架加强、炭品质管控等一体化集成式高效水热炭化工艺，克服了已公知的水热炭化技术中，所存在的工序耗时长、耗能大、产率低和炭品质无法标准化控制等
诸多弊端，并进一步地利用所得的炭产物与其所产生的副产物配伍合成再造炭基有机肥地膜双赢的工艺成果。
7.另外，所述的炭产物具备了对氨氮和磷酸盐的同步捕捉吸收能力，空隙结构丰富、比表面积大、含有多种官能团，具有良好的吸附能力，是土壤改良剂及碳减排的优质原料，达到了生物质废弃物减量化、无害化处理的高标准，实现了高附加值转化。
8.所述炭基有机肥地膜的制备方法，将工艺实施过程中所得炭产物与所得液相共体副产物合成再造，制备得到炭基有机肥地膜。所述炭基有机肥地膜同样具有孔层性结构、多孔性的高比表面积和高表面能等特性，这些特性决定其是一种环境友好型吸附材料，同时能够通过离子交换、表面沉淀等作用，促进膜体内的活性成分与嵌合在膜体内的氨氮和磷酸盐同步缓释。并通过土壤中的水热指数的匹配，使生长元素有效扩散，得以满足植物不同生长阶段所需的养分。炭基有机肥地膜在降解过程中，所产生的二氧化碳是作物的“粮食”，被作物主、被动吸收后，达到潜在的增产效果，由于炭基有机肥地膜具有吸收光和水的功能，并在土壤中、表层发生水热交换反应，有效储存并传导温度和能量，所以能够提高土壤中的水热效应以及微循环，在降解过程中，能够有效平衡土壤的酸碱值和增加土壤有机质含量，提高土壤健康指标。
9.本发明的方案之一是提供一种生物质高效水热集成炭化工艺，所述工艺包括如下步骤：
10.(1)收集前体并调整含水率至17wt％，再与调质改性剂混合反应，得到改性前驱体；其中，所述调质改性剂包括如下重量份的原料：水溶性磷酸盐10～20份、甜菜碱表面活性剂10～20份和纯净水1000份；
11.(2)将所述改性前驱体喂入到i-型、ii-型和iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化联动组合机体中，从模头挤出后得到炭基体组合物；其中，i-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320cm、长径比为8:1，转速为：300r/min，各区间的温度设定为：一区：115℃、二区115℃、三区：185℃、四区：115℃、五区：115℃、六区：115℃，各区间的真空压力均为：1mpa；ii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320mm、长径比为10:1，转速为：100r/min，各区间的温度设定为：一区：200℃、二区：220℃、三区：210℃、四区：250℃、五区：250℃、六区250℃，各区间的真空压力为：5mpa；iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320mm、长径比为8:1，转速为：500r/min，各区间的温度设定为：一区：210℃、二区：280℃、三区：300℃、四区：300℃、五区：250℃、六区：230℃，模头：200℃，各区间的真空压力设定为：1mpa；
12.(3)将所述炭基体组合物自然冷却至80℃后与水混合调至ph为7，再经过滤分离，分别得到液相共体副产物和炭产物。
13.为便于理解本发明，对本发明的技术方案进行阐述。
14.本发明所述的成炭基础原料，其涵盖范围为生物质原料中的林、田生物基固废物及畜牧粪便、造纸污泥或浒苔，并统称为：前体。本发明的技术实施通用于任何一种或多种生物质以任何方式方法组合成为前体，通过对其实施本发明的技术，均能制备得到标准化的目标产物。
15.于步骤(1)中，将前体调整含水率至17wt％，与调质改性剂按1:1的重量比依次投入至反应釜中，在温度为100℃、搅拌速度为80r/min、压力为0.01mpa的条件下连续搅拌
10min，待物料表面出现略微带有绒状结构体的现象，并产生大量草香味蒸汽时，可确定为完全达到了调质改性的目的和效果，制备得到的改性前驱体ph为11，含水率为77％。在此步骤中，所产生的蒸汽被吸收到冷凝塔中，冷却成液相后，可循环回用到调质改性剂的配制的步骤中。
16.所述反应釜内胆为搪瓷复合体结构，出料口上端装备封闭状态的真空泵，能够把随时产生的蒸汽吸滤、抽提到冷凝塔中，冷凝成为再生混合液，再生混合液经过管道，有计划地随时被抽提到调质改性剂配制工作面上，可被循环再利用。其中所述的冷凝塔，是本发明工艺实施过程中所涉及的中枢冷凝系统，具有与其他配套设备组合联动的能力，能够吸收整个工艺链中所有发生的蒸汽并将其冷凝液化，然后进行计划地导流、分配。
17.在制备调质改性剂时，是以水溶性磷酸盐、甜菜碱表面活性剂作为溶质，以纯净水作为溶剂，于温度为15℃条件下，在反应釜内连续、均匀地搅拌至溶质全部溶解，即得到所述调质改性剂。其中水溶性磷酸盐、甜菜碱表面活性剂、纯净水的重量比为10～20:10～20:1000，在常压下调整ph为10～12。
18.所述水溶性磷酸盐为磷酸氢二钠或磷酸二氢钾中的一种或两种的组合；所述甜菜碱表面活性剂为十二烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱或十四烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱中的一种或两种的组合。
19.在相对湿度、温度和压力的管控下，调质改性剂与前体在搅拌机中完成搅拌混合而达到调质改性的目的，这种初步的热化学过程会引发初步的溶胀解构反应，使物料表面宏观上体现出柔韧、蓬松的绒体状态的特征，在此过程中，调质改性剂能够充分地渗透扩散到前体结构中的大分子链中，在水热反应状态下，起到催化分解前体中的金属元素而形成游离特性，并同步断链、裂解、崩塌原料中的一部分原纤维大分子链，形成了含有多种金属离子官能团的小分子，其中部分游离状态的金属离子被嵌合受体在前体原料纤维结构中，成为后序改善炭产物空隙结构和表面官能团数量的有效成分，达到了调质改性前体原料的目的和效果，从而生成了标准化的改性前驱体。
20.于步骤(2)中，首先把制备得到的改性前驱体通过封闭式单螺旋输料机强制喂入到i-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机体腔内，所述i-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320cm、长径比为8:1，转速设定为：300r/min，各区间的温度设定为：一区：115℃、二区115℃、三区：185℃、四区：115℃、五区：115℃、六区：115℃，各区间的真空压力均为：1mpa。改性前驱体随着三个相同径级的螺杆同步同向旋转而进一步依次掘进、摩擦、剪切、挤压、磋磨、捏合、熔融、拆分、裂解、膨化、保压(水热反应自生成恒定压力为：1mpa)和汽爆，经过一系列水热化反应后，达到所规定的分丝帚化的固定值(表面特征：膏泥状，经过测定，所达到预定的扣解度值为：10
°
sr，达到规定的含水率为：17wt％)后，分丝帚化后的改性前驱体，从该型号机体末端排出直接进入衔接过度管路中，随后被强力推进喂入到ii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的体腔内，所述ii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为：320mm，长径比为10:1、转速设定为：100r/min，各区间的温度设定为：一区：200℃、二区：220℃、三区：210℃、四区：250℃、五区：250℃、六区250℃，各区间的真空压力为：5mpa，分丝帚化后的改性前驱体随着三个相同径级的螺杆同步同向旋转而进一步依次掘进、捏合、磋磨、炭素体生成、磋磨、炭骨架生成、磋磨、保压(水热反应自生成恒定压力为：5mpa)、炭骨架全面生成团聚，经过该一系列低温、连续、阶梯式水热化反应后炭骨架全面生成，在螺杆旋转推动力
的作用下，得到的炭骨架生成体从该型号机体末端排出直接进入到衔接过度管路中而被强制喂入到iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机体腔内，所述iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320mm、长径比为8:1，转速设定为：500r/min、各区间的温度设定为：一区：210℃、二区：280℃、三区：300℃、四区：300℃、五区：250℃、六区：230℃、模头：200℃，各区间的真空压力设定为：1mpa，炭骨架生成体随三个相同径级的螺杆同步同向旋转而进一步依次掘进、磋磨、炭骨架加强、磋磨压缩、炭骨架再加强、压缩磋磨、保压(水热反应自生成恒定压力为：1mpa)、炭骨架全面加强，经过一系列的低温、连续、阶梯式水热化炭骨架加强后，炭加强产物从该型号机末端所配备的模头中被挤出，得到直径为：1cm，长度为：1～5cm的长条状水热炭化产物，即为炭基体组合物。
21.于步骤(3)中，将所述炭基体组合物自然冷却到80℃，再将其与纯净水混合洗涤至ph值为7，最后经过真空过滤分别得到：液相供体副产物和固相产物，并将固相产物进一步干燥后，即得到本发明所述的炭产物。经测定产率为：18.17％、灰分为：10.15、残渣含量为：11.35％，热值为：1535kcal/kg，在以上步骤实施过程中，前驱体首批次饱和量开始喂入组合机腔体内到炭加强全面完成从模头排出过程中，只需停留17min，这是由于螺杆转速的设定与生产线末端模头产生的阻力，限制并平衡了前驱体在腔体内的停留反应时间而引发的合理匹配的正向结果，即：i-型改性需要：7min，ii-型炭骨架生成需要：5min，iii-型炭骨架加强需要：5min。
22.需要强调的是，过滤所得到的液相供体副产物待用，作为本发明中所述的制备炭基有机肥地膜的原料。在步骤工艺实施的全过程中，所产生的蒸汽全部被吸滤到中枢冷凝塔中、冷凝成液相后，等待有计划地回用到调质改性剂配制的工艺实施步骤中。
23.更为具体的，i-型、ii-型、iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机组成“z”字型联动组合生产线，其是由江苏科溪蔓生物料技有限公司生产的三阶子母联动组合生产线，是本发明得以实现技术实施过程中最核心的配套机组。每个型号单机中各种组件均是由耐酸碱、耐高温的材质特制而成，特别是螺杆、型腔内涂层及轴承材质的耐高温、耐酸碱的程度，大大超过了陶瓷纤维与四氟乙烯复合材料的指标，轴承与变速箱之间采用的是绝热风冷组合的连接方式，使电机不至于因为热传递而造成损伤，从而达到持续提供动力的效果。在型腔内三个啮合型同向旋转的螺杆均采用同心轴串联积木式组合而成，由螺杆组件组合成输送螺块、剪切螺块、捏合螺块、混炼螺块、反旋螺块等多个功能性啮合区，这种精密的组合模式，是完成本工艺系统所需各种力学性能指标的基本要素。经过长期的应用证明，在苛刻的条件下，三阶子母机联动组合体现出了高超的整体稳定性能及强大的机械性能，具有在极低能耗情况下，展现出低温水热炭产率高的突出优势。具体表现在通过调整螺杆转速的大小，能够有效管控前驱体在机体内的停留反应时间，在合理的温控体系协同下，前驱体在机体内的停留反应时间必须恰当好处，时间长则影响炭产率，时间短则达不到成炭的品质和效果，前驱体在机组体内的系列反应过程，就是促进炭生成和炭加强的过程，在此过程中温度、水分、自生压力、螺杆与螺杆之间的各种机械力的密切协同和精准管控，是构成炭品质生成的主要因素，该机组的联动组合模式，所产生的各种机械力与其他成炭要素的管控与协同响应，达到了一站式集成炭化路径的标准，同时也是本发明生物质高效水热集成炭化技术得以实现的原因所在。
24.该联动组合生产线整体完全处于封闭式连体状态，在无氧的条件下，改性前驱体
被强制喂入机体内，从改性到炭骨架加强完成，然后从模头排出，实现了连续集成化一站式作业，每个机型上端的排汽口处，都设有智能化蒸汽稳压器并与相匹配的真空泵连接，真空泵末端与冷凝塔相连接，能够随时将水热反应高压状态下所产生的蒸汽(泄压)输送到冷凝塔主干管道中，从而使封闭环境下的水热反应成炭过程中，自生的压力永远保持在恒定指数。由于自生压力是成炭指标不可缺失的要素，这种来自于前驱体而受限于生产线封闭型腔内各种机械力的整体影响，而产生的自生压力是随着温度高与低和螺杆转速的快与慢的变化，而发生规律性地变化。进一步地理解为温度与螺杆转速控制是由：i-型
→
ii-型
→
iii-型的整体由小到大，压力的自生成同时也随着这种协同作用由低到高数值的阶梯式变化而变化，正是由于这种由弱到强自生压力的自动转换效应，造就了前驱体在此过程中经过改性、炭骨架生成、再生成到炭骨架加强、再加强，而产生出的结构连续性脱胎换骨地变化，同时也是高效水热集成炭化反应路径得以顺利实现原理所在。该组合生产线的每个型号设备的温控均采用电磁感应加热系统，使温控效果更加快速精准稳定，在生产线末端的模头出料口处上方配备了真空吸滤器并与冷凝塔主干管道相连，冷凝成液相后，有计划地被回用，整个生产路径无任何排放、工作面均处于洁净的环境中。
25.本发明针对利用平行三螺杆秸秆分丝帚化机，所联动组合成的三个不同阶段工艺实施的机理做进一步阐述：
26.改性前驱体被强制喂入到i-型机体内，在此过程中，改性前驱体的结构特性发生了根本性地变化而产生出了促进炭品质生成的活性基团，这种特性的由来可以进一步地理解为：实质上是一种氨碱化与氨解反应过程，碱类物质中的氢氧根离子，能使组合体原料内部的氢键结合变弱，使纤维分子得到有限溶胀，并能断切纤维素、半纤维素、木质素分子链间的紧密结合，所以能够溶解部分半纤维、木质素而产生出多糖、多肽、酚羟基和醇羟基等多种碳水化合物供体，这种碳源供体物既是促进水热反应成为炭体的因素，又是成炭的主要原料之一。在此工艺实施过程中，多种机械力协同调质改性剂，使前驱体中纤维素的大分子断裂崩塌形成小分子的活性基团，其被大量的钾离子和铵盐所嵌合而得到功能性的受体，这种功能性受体为后序水热反应成炭奠定了基础。基于上述因素，在此过程中前驱体部分得到有效地分拆、液化、改性成为了金属离子的寄生体，为前驱体的功能受体在ii-型机水热反应系列炭骨架生成过程中，减少了在机体内的停留时间、促进炭骨架的快速生成、提高炭产率及炭品质起到了至关重要的决定性作用和因素。
27.前驱体经过i-型机的帚化拆分、液化、改性，所产生的功能性受体，在强大螺杆旋转推动力和自生压力的作用下，被强制喂入到ii-型机腔体内，形成了一系列的水热炭化反应，炭骨架得以全面生成。在此步骤实施过程中低温与机械力协同，达到了连续多级炭骨架生成的效果，不仅增加了炭转化率，而且为炭骨架的全面加强奠定了基础。
28.炭骨架生成产物同样在强大螺杆旋转推动力和自生压力的作用下，被强制喂入到iii-型机腔体内，在一系列机械力协同水热反应的响应下，炭骨架得到了无间断、全面地得到加强，同时炭品质也得到保障，由于在炭骨架生成过程中，炭骨架中的氧值含量比较高，需要进一步地高温处理来降低氧含量，为此本发明在炭骨架加强过程中，特设300℃的高温区，用来降低氧值含量，这些含氧官能团在高温过度时，会转化成大量的水蒸汽，导致机体型腔自生压力增大，而从蒸汽稳压器中被真空泵抽出收集。同时所产生的真空力，使炭基体内产生大量的孔道结构，从而产生比表面积和吸附功能，提高了炭品质。
29.本发明的再一方案是提供一种生物质高效水热集成炭化工艺制备得到的炭产物。
30.基于相同的技术构思，本发明再提供一种炭基有机肥地膜的制备方法，包括如下步骤：
31.(s1)将所述炭产物、所述液相共体副产物与明胶、聚乙烯醇和硼砂混合搅拌，得到纺丝凝胶原液；
32.(s2)将所述纺丝凝胶原液引入至熔喷布生产线，所述纺丝凝胶原液经熔喷模头喷丝挤出细流，所述细流被牵伸至接收装置中，再经压延固化绕卷后，进入干燥舱内干燥收卷，即得到所述炭基有机肥地膜。
33.具体的，在步骤(s1)中，将液相共体副产物、炭产物(粉碎至：500目)、明胶、聚乙烯醇和硼砂按照的重量比为100:20:1～5:1～5:0.8放入反应釜中，在液相下将所有原料均匀混合，在反应釜内各种原料发生了水热分解、聚合反应，温度设定为：100℃、真空压力为：0.01mpa，搅拌速度为：100r/min、搅拌时间为：15min。在交联剂硼砂的作用下，混合液了缩聚形成了灰黑色溶胶体系，体系中的炭产物微粉具有中空结构，结构中会吸附溶胶体系中的各种活性成分，并在溶胶体系中形成空间立体网络，网络与网络间充满了溶剂并慢慢聚合而失去流动性从而形成凝胶，凝胶分子结构内扑捉并寄生到了原料中释放出来的各种功能性成分，继而赋予了凝胶体系的各种性能。所得到的纺丝凝胶原液的ph为：7.5，熔融指数指数为：1500g/10min。
34.另外，经发明人实践证明：通过改变明胶与聚乙烯醇的添加量，可以调控最终炭基有机肥地膜的降解时间，进而使其具有不同的应用场景，在液相共体副产物为100重量份的前提下，当分别各添加1重量份明胶和聚乙烯醇时，炭基有机肥地膜约在1～10d内于土壤中全部降解并转化为有机肥；当分别各添加5重量份时，炭基有机肥地膜约在30～10天内于土壤中全部降解并转化为有机肥。
35.在步骤(s2)中，本发明利用熔喷布生产线作为炭基有机肥地膜制备设备，所述熔喷布生产线包括：封闭式凝胶强制喂料机、单螺杆挤出机、计量泵、熔噴摸、头组件、罗茨鼓风机、空气加热器、接收装置、卷绕装置和直通式单行程烘干舱。所述熔喷的工艺参数为：一区温度：85℃、二区温度：100℃、三区温度：110℃、法兰温度：105℃、弯头温度：105℃、模头温度：110℃、螺杆主频：17.5hz、接收距离：8cm、热空气温度：125℃、热空气压力：0.08mpa、滚筒转速：110m/min、横动速率：0.8m/min、烘干舱进口温度：220℃、循环风量：350m2/min、静压：100pa。
36.将纺丝凝胶原液抽提到单螺杆挤出机中，原液随着螺杆旋转经计量泵推进到熔喷模头中并喷丝挤出细流，随即细流被牵伸到接收装置上，再经压延固化绕卷后，进入干燥舱内干燥后收卷，最后经裁切、定制制备得到炭基有机肥地膜。其中，采用高速热空气流对模头喷丝并挤出凝胶前体细流进行牵伸，由此形成的超细纤维收集到滚筒上，自粘合、热固化、干燥后成为具有中空多孔特性的炭基有机肥地膜。在此过程中所产生的蒸汽同样被吸滤到冷凝塔的主管道中，冷凝成液相后，有计划地被回用，其成型的过程可以归结为，是炭基多糖类化合物、呋喃基化合物与明胶、聚乙烯醇聚合反应后的产物热固成型的过程。
37.本发明在工艺实施过程中，所制得的液相供体副产物体系当中，含有一定量的糖类化合物和呋喃基化合物，其中一部分被转化为炭素体，这些有机化合物本身就是碳、氢、氧的组合体，具备全降解的特性，与降解性能优异的明胶、聚乙烯醇，在交联剂硼砂的参与
下形成炭基聚合物，并经热固成型制得炭基有机肥地膜，存在于炭基有机肥地膜中的炭基成分，能够吸收水汽，同时具有储热增温及寄生微生物而被代谢分解等特性，故具有全降解性能。
38.且调质改性步骤的实施过程中，实质上是水溶性磷酸盐、甜菜碱表面活性剂及多种机械力协同促进下，所发生的糖化、氨解反应的过程，在破坏木质素结构与多糖醋键的同时，生成的铵基糖类化合物、钾基糖类化合等，这些化合物与其他活性体被部分炭化后，不仅能够提高炭品质，余量还能游离在液相供体中，并与液相供体中的其他活性元素发生反应而生成醋酸铵及其他有助于植物生长的元素，这些元素被长期储存在炭基有机肥地膜中，随着炭基有机肥地膜的降解而缓释出氮、磷、钾等，进入土壤中从而形成肥力效应。另外，炭基有机肥地膜的降解过程，其实就是转化含碳有机质的过程，土壤含碳有机质的增加，微循环得到加强，所以又具有改善土壤环境和提高土壤健康指标的多重效果。
39.炭基有机肥地膜在降解过程中，会释放出二氧化碳和其他有利于植物生长的微量元素，二氧化碳是植物的“粮食”，作物只有主、被动地吸收二氧化碳的同时，才能保质保量地生成大量的籽实体，从而达到增产增收的效果，炭基有机肥地膜中的炭基成分可以吸收光和水，并于土壤中、表层产生水热交换反应，有效储存并传导温度、能量和平衡土壤酸碱值，从而达到增加土壤健康指标和潜在的增产性能。
40.本发明的有益效果为：
41.1、本发明所述生物质高效水热集成炭化工艺，不产生任何排放，达到了绿色环保、洁净连续化、规模化量产的效果，在温和、安全、稳定、高效的前提驱动下，把三种不同型号的平行三螺杆秸秆分丝帚化机联动组合成为“z”字型三阶子母机(i-型
→
ii-型
→
iii-型)生产线，在多种机械力的联合作用下，实现了水热响应前体原料调质改性、连续化炭骨架生成、阶梯式炭骨架加强反应等一体化集成式高效水热炭化工艺，克服了已公知的水热炭化技术中工序耗时长、耗能大、炭产率低，炭品质无法标准化管控的诸多弊端。并进一步地利用所制得的炭产物与其所产生的副产物配伍合成再造炭基有机肥地膜双赢的工艺成果。
42.2、本发明所述的炭产物具备了对氨氮和磷酸盐的同步捕捉吸收能力，空隙结构丰富、比表面积大、含有多种官能团，具有良好的吸附能力，是土壤改良剂及碳减排的优质原料，达到了生物质废弃物减量化、无害化处理的高标准，实现了高附加值转化。
43.3、本发明所述炭基有机肥地膜的制备方法，将炭产物与液相共体副产物合成再造，制备得到炭基有机肥地膜。所述炭基有机肥地膜同样具有孔层性结构、多孔性的高比表面积和高表面能等特性，这些特性决定其是一种环境友好型吸附材料，同时能够通过离子交换、表面沉淀等作用，促进膜体内的活性成分与嵌合在膜体内的氨氮和磷酸盐同步缓释。并通过土壤中的水热指数的匹配，使生长元素有效扩散，得以满足作物不同生长阶段所需的养分。炭基有机肥地膜在降解过程中，所产生的二氧化碳是作物的“粮食”，被作物主、被动吸收后，达到潜在的增产效果，由于炭基有机肥地膜具有吸附热能并自存储能力，所以能够提高土壤中的水热效应以及微循环，在降解过程中，能够有效平衡土壤的酸碱值、增加土壤有机质含量和提高土壤健康指标。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行
详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
45.实施例1
46.本实施例提供一种生物质高效水热集成炭化工艺，所述工艺包括如下步骤：
47.(1)收集已经离田收储的玉米秸秆和废弃木材，先进行除尘、去杂质和去霉变物，然后粉碎至0.1～3cm，最后把粉碎后的玉米秸秆和废弃木材按照重量份比为1:1掺混均匀，即得前体；其中，所述废弃木材可以是果树修剪枝丫、建筑废弃的各种木材、锯末、树叶等一切可以燃烧的木质材料；
48.(2)将所述前体调整至含水率为17wt％，再与调质改性剂(由重量比为10:10:1000的磷酸二氢钾、十四烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱和纯净水组成)按照1:1的重量比混合，于温度为100℃、搅拌转速为80r/min、压力为0.01mpa的条件下进行反应10min，得到ph为11、含水率为77wt％改性前驱体；
49.(3)将所述改性前驱体强制喂入到i-型、ii-型和iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机体腔内，从模头挤出后得到炭基体组合物；其中，i-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320cm、长径比为8:1，转速为：300r/min，各区间的温度设定为：一区：115℃、二区115℃、三区：185℃、四区：115℃、五区：115℃、六区：115℃，各区间的真空压力均为：1mpa；ii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320mm、长径比为10:1，转速为：100r/min，各区间的温度设定为：一区：200℃、二区：220℃、三区：210℃、四区：250℃、五区：250℃、六区250℃，各区间的真空压力为：5mpa；iii-型平行三螺杆秸秆分丝帚化机的螺杆直径为320mm、长径比为8:1，转速为：500r/min，各区间的温度设定为：一区：210℃、二区：280℃、三区：300℃、四区：300℃、五区：250℃、六区：230℃，模头：200℃，各区间的真空压力设定为：1mpa；
50.(1)将所述炭基体组合物产物自然冷却至80℃后与水混合调至ph为7，再经过滤分离，分别得到液相共体副产物和固相炭产物，然后把所得固相炭产物经过干燥处理、超微粉碎后，即得：炭产物。
51.本实施例再提供一种炭基有机肥地膜的制备方法，包括如下步骤：
52.(s1)将液相共体副产物、炭产物(粉碎至：500目)、明胶、聚乙烯醇和硼砂按照重量比为100:20:1:1:0.8放入反应釜中，于温度为：100℃，真空压力为：0.01mpa，搅拌速度为：100r/min的条件下搅拌反应15min，得到纺丝凝胶原液；
53.(s2)将所述纺丝凝胶原液引入至熔喷布生产线，所述纺丝凝胶原液经熔喷模头喷丝挤出细流，所述细流被牵伸至接收装置中，再经压延固化绕卷后，进入干燥舱内干燥收卷，即得到所述炭基有机肥地膜；其中，所述熔喷的工艺参数为：一区温度：85℃、二区温度：100℃、三区温度：110℃、法兰温度：105℃、弯头温度：105℃、模头温度：110℃、螺杆主频：17.5hz、接收距离：8cm、热空气温度：125℃、热空气压力：0.08mpa、滚筒转速：110m/min、横动速率：0.8m/min、烘干舱进口温度：220℃、循环风量：350m2/min、静压：100pa。
54.实施例2
55.本实施例提供一种生物质高效水热集成炭化工艺，其与实施例1的区别在于，所选取的前体为没有霉变、没有杂质的新鲜牛粪，其余步骤与实施例1相同。
56.本实施例再提供一种炭基有机肥地膜的制备方法，与实施例1的区别在于，所述的
液相共体副产物与炭产物是没有霉变、没有杂质的新鲜牛粪作为前体时制备所得的，其余步骤与实施例1相同。
57.实施例3
58.本实施例提供一种生物质高效水热集成炭化工艺，其与实施例1的区别在于，所选取的前体为造纸污泥，其余步骤与实施例1相同。其中，所述造纸污泥是造纸废水处理系统的终端产物，是造纸废水处理在沉淀池中，所沉淀的污泥并经过压滤机压滤产生的生物质，其主要成分为纤维素、半纤维素、木质素等高分子有机物及一些添加剂和衍生物，这些有机成分非常适合于作为炭基体的前体原料。
59.本实施例再提供一种炭基有机肥地膜的制备方法，与实施例1的区别在于，所述的液相共体副产物与炭产物是造纸污泥作为前体时制备所得的，其余步骤与实施例1相同。
60.实施例4
61.本实施例提供一种生物质高效水热集成炭化工艺，其与实施例1的区别在于，所选取的前体为浒苔，其余步骤与实施例1相同；其中，浒苔是海洋中绿藻污染源之一，富含纤维素、半纤维素及少量的木质素、粗蛋白和矿物质微量元素，浒苔具有的这些有机成分适合作为炭基体的前体原料，并且浒苔是海洋藻类植物，所以本身含有一定量的海盐成分，这些成分包括：钠、钾、镁、钙等，这些金属元素在形成离子状态时，具有促进炭骨架生成和提升炭品质的作用。
62.本实施例再提供一种炭基有机肥地膜的制备方法，与实施例1的区别在于，所述的液相共体副产物与炭产物是浒苔作为前体时制备所得的，其余步骤与实施例1相同。
63.为了验证本发明所述炭基有机肥地膜的效果，进行如下实验。
64.(i)降解性能测试
65.测试原理：试样置于土壤菌悬液中经微生物作用下降解，一定时间后，测试试样的累计无机碳释放量占原样总有机碳含量的百分比，以此判断试样的可生物降解性能。
66.试验用土壤：取肥沃土壤样品，在取样地点用小铲子除去表土，取距地面10～15cm深处的疏松土壤，去除明显的植物基材料、石头和其他惰性材料，用筛网(10目)过筛土壤，以获得尺寸小于2mm的土壤微粒，盛入灭菌处理的袋子中，密封后置于2～8℃冰箱冷藏备用，记录采样时间、地点、天气状况等。
67.试样尺寸：在距熔喷布边100mm以上的区域取样，避开有折痕、沾污、有瑕疵的部位。将试样剪成约5mm
×
5mm的小片，混合。
68.可生物降解率：η＝(a
tic
÷atc
)
×
100％
69.式中：
70.η：可生物降解率；
71.a
tic
：试样在微生物作用下降解产生的无机碳总量占试样质量的百分比，％
72.a
tc
：试样中有机碳的质量分数，％
73.可生物降解性评价：在10天的测试时间内，试样的可生物降解率η达到10％以上时，认为该试样可生物全降解。
74.检测结果如表1所示。
75.表1降解结果
[0076][0077]
由结果可知，本发明得到的炭基有机肥地膜的降解性能明显优于市售同类产品。
[0078]
(ii)元素测试
[0079]
先选定某一区域(为使误差尽可能小，该区域面积应尽可能小，本次设定为5m2)，在选定区域内随机挖取1份土壤，每份土壤均为1kg，并编号为1～1号。
[0080]
其中：
[0081]
1号土壤摊铺均匀后采用实施例1得到的炭基有机肥地膜覆盖，待炭基有机肥地膜降解完成后，测定土壤元素含量；
[0082]
2号土壤摊铺均匀后采用实施例2得到的炭基有机肥地膜覆盖，待炭基有机肥地膜降解完成后，测定土壤元素含量；
[0083]
3号土壤摊铺均匀后采用实施例3得到的炭基有机肥地膜覆盖，待炭基有机肥地膜降解完成后，测定土壤元素含量；
[0084]
1号土壤摊铺均匀后采用实施例1得到的炭基有机肥地膜覆盖，待炭基有机肥地膜降解完成后，测定土壤元素含量；
[0085]
5号土壤摊铺均匀后采用市售同类产品覆盖，待降解完成后，测定土壤元素含量；
[0086]
1号土壤不作处理，直接测定元素含量。
[0087]
检测结果如表2所示。
[0088]
表2元素含量测定结果
[0089]
[0090][0091]
由结果可知，本发明所述炭基有机肥地膜降解完成后能使土壤中的主要肥效元素含量明显提升，且优于市售同类产品。
[0092]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。