專利名稱：用于使試劑沉積到生物炭上和生物炭內(nèi)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及農(nóng)業(yè)。更具體而言，本發(fā)明涉及使試劑沉積到生物炭上和生物炭內(nèi)。
背景技術(shù)：
生物炭是將生物質(zhì)在基本無氧的情況下加熱至高溫時(shí)所產(chǎn)生的干組分。生物炭通常作為類似于木炭塊的塊狀的、不規(guī)則形的粒子產(chǎn)生。這些塊體的孔隙率高，具有大量從其表面延伸入炭內(nèi)的孔。產(chǎn)生生物炭的技術(shù)有很多，一種常見的方法是熱解法，其中在基本無氧的情況下加熱生物質(zhì)，直至生物質(zhì)的聚合物分解為止。常見的方法包括在火上點(diǎn)燃生物質(zhì)原料，而后在某一時(shí)刻使火與空氣隔離?；鹣臍堄嗟难?，余熱使生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭。對于典型的聚合物如纖維素，這在約330°C的溫度下開始發(fā)生。除了碳化生物質(zhì)之外，這些高溫還在生物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生氣體。這些氣體的快速膨脹在生物炭內(nèi)形成孔。例如，在適中的加熱速率和約 400-500°C的溫度下，產(chǎn)生的生物炭具有大量孔，所述孔通常長而窄，例如直徑約0. 7-3. 0 微米。這種高孔隙率產(chǎn)生了高的粒子表面積(即，包括孔的表面積在內(nèi)的總表面積，按生物炭的重量計(jì))。例如，生物炭的粒子表面積通常為50-300m2/g。然而，即使具有這種高孔隙率，小孔寬度也僅允許少量的水滲入生物炭內(nèi)。生物炭可以在間歇工藝體系和連續(xù)工藝體系二者中產(chǎn)生。間歇工藝體系是周知的并涉及在氣密爐中處理生物質(zhì)批次。連續(xù)工藝體系不是分批地而是在連續(xù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生/產(chǎn)出生物質(zhì)，并且可以采用這類體系的各種構(gòu)造。一種常見的體系涉及流化床反應(yīng)器，例如在美國專利4，064，018中所述的，通過引用將該專利并入本文。另一種體系采用外部燒制的回轉(zhuǎn)窯，并且描述于美國專利4，300，915中，通過引用將該專利也并入本文。許多近期嘗試集中于在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中利用生物炭的上述孔隙率以及其他特性。特別地，有兩個區(qū)別性因素使得生物炭作為土壤調(diào)節(jié)劑頗有價(jià)值。第一，生物炭是持久性的，一些人估計(jì)取決于例如用來產(chǎn)生生物炭的原料等因素，施用于土壤的80%以上的生物炭將在施用后保持100年。第二，如上所述，炭是極其多孔性的，具有許多允許炭保留有益化合物同時(shí)又耐受水浸出的孔。即，化合物能夠在孔內(nèi)沉積地越深，則其傳輸出來進(jìn)入土壤所花費(fèi)的時(shí)間就越長。因此，期望將化合物或試劑在生物炭的孔內(nèi)包埋地相對深，其中少量的水滲透使得化合物的釋放長久而緩慢。然而，小的孔徑使得試劑的這種深包埋具有挑戰(zhàn)性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明能夠以包括作為一種方法和作為一種設(shè)備在內(nèi)的多種方式來實(shí)施。在一個實(shí)施方案中，一種使試劑結(jié)合到生物炭中的方法包括接收生物炭，并且向生物炭供給蒸汽以將蒸汽引入生物炭內(nèi)的孔中。然后將生物炭浸漬在含有至少一種用于沉積的試劑的液體介質(zhì)中。將生物炭冷卻至低于蒸汽的冷凝溫度，以將至少一部分液體介質(zhì)吸入生物炭的孔中。在另一實(shí)施方案中，一種使試劑沉積到生物炭上的方法包括接收具有孔的生物炭，和將液體介質(zhì)吸入孔中，所述液體介質(zhì)含有至少一種用于沉積到生物炭上的試劑。然后使孔中的液體介質(zhì)蒸發(fā)，以使試劑沉積在生物炭的孔內(nèi)。在又一實(shí)施方案中，一種設(shè)備包括生物炭，所述生物炭具有外表面和從所述外表面延伸入生物炭中的孔，所述孔總共具有總的表面積；和試劑，所述試劑在孔內(nèi)沉積到至少約20微米的深度。在又一實(shí)施方案中，一種設(shè)備包括生物炭，所述生物炭具有外表面和從所述外表面延伸入生物炭中的孔，所述孔內(nèi)具有氣態(tài)混合物，所述氣態(tài)混合物的壓力為約0. 25大氣壓或更低。通過以下詳述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將變得明了，所述附圖通過舉例的方式說明本發(fā)明的原理。


為更好地理解本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖參照以下的詳述，在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案用于制備生物炭的體系。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案在制備生物炭時(shí)所采取的方法步驟。在整個附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相應(yīng)的部件。
具體實(shí)施例方式在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及用于使試劑相對深地沉積在生物炭的孔內(nèi)的方法和設(shè)備。大多數(shù)當(dāng)前的方法只能夠?qū)⒃噭┏练e在生物炭的外表面上，或者至多僅稍稍沉積在其孔內(nèi)。相反，本發(fā)明的實(shí)施方案可以使試劑沉積在生物炭的孔內(nèi)約20-25微米，或者更深。首先通過將生物質(zhì)原料通常加熱至約40(TC或更高在氣密爐中產(chǎn)生生物炭。然后使生物炭冷卻并且使蒸汽擴(kuò)散到生物炭的孔中。將載有蒸汽的生物炭浸漬在液體浴中，該液體浴具有待沉積到生物炭的孔中的可溶性試劑。液體浴將炭冷卻至低于蒸汽的冷凝溫度，由此冷凝蒸汽在孔內(nèi)產(chǎn)生局部真空，將液體吸入孔中。然后生物炭從液體浴移出并干燥，使得孔內(nèi)的液體蒸發(fā)，留下可溶性試劑。因而，本發(fā)明產(chǎn)生具有深埋入其孔內(nèi)的可溶性試劑的生物炭。如果試劑為土壤養(yǎng)分，則這種方法提供生物炭，該生物炭產(chǎn)生養(yǎng)分向土壤中的長久而緩慢的釋放，這對植物生長是有益的。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案用于制備生物炭的體系。體系10具有爐20，所述爐是氣密的并且配備有用于在焙烤生物炭之前從爐20除氧的真空泵(未顯示)。體系 10還具有殼30，該殼具有與爐20連接的管40。殼30還與蒸汽閥50、泄壓閥55、貯水器60 和化學(xué)品貯器70連接。殼30由控制面板80進(jìn)行監(jiān)控和控制。來自貯水器60的水與來自化學(xué)品貯器70的希望量的水溶性試劑一起被泵送到殼30中，以在殼30內(nèi)產(chǎn)生水浴，如所示那樣。因而，水浴是水和待沉積在生物炭上/內(nèi)的無論何種試劑如化學(xué)肥料等的液體混合物。殼因而包含水浴和載有蒸汽的氣氛。第一傳送帶85在殼30內(nèi)運(yùn)行，以使炭浸漬在液體浴中。第二傳送帶90從殼30輸送移出水浴的炭，用于干燥。傳送帶90可以是由電動機(jī)100供以動力的自動傳送帶。圖2匯總了制備本發(fā)明的生物炭可以采取的步驟。這些步驟可通過圖1的體系10 來執(zhí)行。首先，將原料生物質(zhì)置于爐20中，從爐20中泵抽出空氣，并且爐20加熱原料來制備生物炭(步驟20幻。如上，原料通常被加熱至約400-500°C的溫度，持續(xù)足夠時(shí)長以使生物質(zhì)的聚合物碳化和/或分解。該步驟是已知的。一旦原料已轉(zhuǎn)化成生物炭，則使炭冷卻至低于其自燃溫度(步驟20 ，使得其在暴露于空氣時(shí)不會自發(fā)燃燒。該步驟可以在爐20 或管40中進(jìn)行。生物炭的自燃溫度有些隨著例如所用原料的確切類型等因素而變，但是通常為 160-2000C ο接著，生物炭進(jìn)入包含蒸汽的氣氛中(步驟204)?？刹扇《喾N方法來實(shí)現(xiàn)該步驟。 作為一個實(shí)例，在炭冷卻至低于其自燃溫度但仍高于液體浴的沸點(diǎn)的溫度之后，可以簡單地通過管40落入所述浴中。在與浴接觸時(shí)，熱炭產(chǎn)生滲入炭孔并且還充滿殼30和管40的蒸汽。所產(chǎn)生的蒸汽也可以被泵送入(或者以其它方式允許進(jìn)入)爐20中，使得蒸汽有另外的機(jī)會擴(kuò)散到生物炭的孔中。作為另一實(shí)例，可以打開蒸汽注入閥50以將蒸汽泵送到殼 30中，使得殼30支撐下方的水浴和上方的載有蒸汽的氣氛二者。生物炭通過管40從爐20 中落出到殼30內(nèi)的第一傳送帶85上。第一傳送帶85使得炭在殼30的載有蒸汽的氣氛中懸置一段時(shí)間，使得炭進(jìn)一步冷卻并且使蒸汽進(jìn)入炭的小孔中。如果需要，泄壓閥55可以用來有助于使殼30和爐20之間的壓力相等。在任一實(shí)例中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可觀察到，本發(fā)明包括作為間歇或連續(xù)體系的爐20和傳送帶85的運(yùn)行。間歇體系可如上運(yùn)行，炭在適當(dāng)時(shí)間從爐20中落入所述浴中或者傳送帶85上。連續(xù)體系將在爐20的入口和管40 中采用氣間，使得原料可以連續(xù)地進(jìn)料，并且炭連續(xù)地落入殼30中。在載有蒸汽的氣氛中進(jìn)行浸漬之前，孔內(nèi)的大部分氣體由炭制造過程產(chǎn)生。例如，孔內(nèi)氣體的常見組成為約50%的烴、25%的水和25%的不可冷凝氣體。已經(jīng)確定，做得適合的話，大部分的這些氣體可以被蒸汽替代。例如，如果將炭在載有蒸汽的氣氛中從約 500°C冷卻至約100°C，則按體積計(jì)約四分之三的孔內(nèi)氣體可被蒸汽替代。如上所述，在一種方法中，使熱炭簡單地落入水浴中。在另一種方法中，一旦已將足量的蒸汽引入生物炭的孔中，則第一傳送帶85將炭移入水浴中(步驟206)。如上所述， 該水浴含有來自貯水器60的水和來自化學(xué)罐70的試劑?！八笨梢允侨魏我后w介質(zhì)(但是優(yōu)選室溫和室壓下為液體并且在遠(yuǎn)低于炭的燃燒溫度下沸騰的物質(zhì))，例如基于水的化合物或醇，試劑可以是可溶于該液體中并且能夠在生物體的孔內(nèi)沉積的任何化合物或材料。 然而，通常該液體為水，并且該化學(xué)試劑為水溶性化學(xué)肥料或者其他土壤養(yǎng)分。實(shí)例可包括鉀鹽、磷酸氫二銨等。當(dāng)?shù)谝粋魉蛶?5使炭浸漬在水浴中(或者炭簡單地落入所述浴中)，炭的溫度降低到孔中蒸汽的冷凝點(diǎn)之下(即，低于約100°c )。冷凝蒸汽在孔內(nèi)產(chǎn)生局部真空，將水浴及其溶解的試劑吸入孔中(步驟208)。已經(jīng)確定，對于生物炭孔內(nèi)含約四分之三蒸汽的氣氛而言，以此方式使炭驟冷將在孔內(nèi)產(chǎn)生約0. 25大氣壓的真空壓力。取決于如炭尺寸、浴壓力、炭在浴中的停留時(shí)間等因素，這進(jìn)而等同于將水浴吸入所述孔內(nèi)至少約20-25微米的深度。停留時(shí)間是決定表面張力效應(yīng)協(xié)助液體傳到孔中的程度的一個因素，對于一些實(shí)施方案而言，優(yōu)選的停留時(shí)間是30-60秒。然后第二傳送帶90將生物炭從水浴移出，使得炭可被干燥(步驟210)。隨著炭干燥，孔內(nèi)的液體蒸發(fā)，留下可溶性的化學(xué)試劑。這樣，所需試劑沉積在生物炭的孔內(nèi)深處 (即，至孔內(nèi)至少20-25微米的深度)。具有沉積在深處的試劑的生物炭具有多種有益用途。 例如，這種炭可以施用至土壤，在土壤中其小的孔徑將避免過多的水過快地進(jìn)入孔中，使得試劑相對緩慢地釋放到土壤中。以此方式，少量的養(yǎng)分可以使土壤肥沃相對較長的時(shí)間段， 這與常規(guī)肥料相反，常規(guī)肥料快速沖走以在需要再次施用之前僅提供短時(shí)間的養(yǎng)分。試劑在炭內(nèi)的沉積也可以用于與土壤改良不相關(guān)的應(yīng)用中。例如，本發(fā)明的方法可以用于毒素修復(fù)。在例如地表水被硒鹽污染的情況下，毒素(硒)在高含量時(shí)有害而在低含量時(shí)有益(例如，為微量養(yǎng)分)。因此，可以將硒污染的地表水吸入殼30中并用作水浴。然后可如上所述進(jìn)行本發(fā)明的方法，使得硒被吸入炭的孔中，其中它可以用來向土壤中緩慢釋放低含量的硒作為微量養(yǎng)分。這樣，本發(fā)明的方法可以用來處理受污染的水并且事實(shí)上將污染物經(jīng)由沉積到土壤中的生物炭轉(zhuǎn)化成微量養(yǎng)分。在一些應(yīng)用中，可以略去步驟210，并且將濕炭未經(jīng)干燥直接置入土壤中(或用于一些其他目的)。炭的窄孔將用于防止其內(nèi)的液體以及由此所述試劑的快速排放，即使炭并未干燥也是如此。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將觀察到上述方法的產(chǎn)品為生物炭，所述生物炭具有沉積在炭的外表面上和其孔內(nèi)深處的化學(xué)試劑。這種生物炭產(chǎn)生速效和慢效試劑釋放的組合。更具體而言，炭的外表面上的試劑將被沖掉并快速擴(kuò)散到土壤中，而包埋在炭孔內(nèi)的試劑將更加緩慢地?cái)U(kuò)散。因此，可以應(yīng)用修整步驟來處理這些外表面(步驟212)。取決于炭的期望應(yīng)用，該步驟212能夠以不同的方式來進(jìn)行。如果只希望試劑的慢效釋放，則步驟212可以簡單地為炭的清洗以從炭的外表面去除試劑?；蛘?，可能希望不同試劑的速效釋放，在該情況下，可以應(yīng)用步驟200-210以將第一試劑沉積在炭孔內(nèi)，而步驟212可包括從炭的外表面清洗掉第一試劑并替代地施用第二試劑。這允許表面結(jié)合的第二試劑(可能設(shè)計(jì)用于早期植物快速生長的肥料)的快速最初釋放，接著是孔結(jié)合的第一試劑(可能設(shè)計(jì)用于維持更成熟植物的不同的肥料)的緩慢而持續(xù)釋放。應(yīng)當(dāng)指出的是， 該第二或表面結(jié)合的試劑無需與第一試劑以相同的方式來施用，因而可以是任何試劑，包括任何非水溶性的試劑。最后，可以簡單地省略步驟212，在外表面上留下第一試劑并且提供以快速最初爆發(fā)和較慢更持久釋放二者釋放同一試劑的炭。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，上述解釋僅僅說明了一個實(shí)施方案，本發(fā)明還包括其他實(shí)施方案和替代方案。例如，載有蒸汽的氣氛可以是維持在任何適當(dāng)溫度的過熱蒸汽氣氛。類似地，載有蒸汽的氣氛可以擴(kuò)展到管50中，其可以被充分延伸以將炭冷卻至低于其自燃溫度，而同時(shí)允許使蒸汽結(jié)合到炭孔內(nèi)?；蛘撸靠梢栽跔t20中冷卻并且直接落入水浴中，在落下過程中或者在落下之前在爐20中蒸汽結(jié)合到炭孔中。另外，上述方法可以與間歇工藝或連續(xù)工藝熱解體系聯(lián)用。特別地，可以看到，生物炭可以任何方式(無論是間歇工藝還是連續(xù)工藝)來制備用于釋放到殼30中，由此上述方法可用來使試劑結(jié)合到炭孔中。用于解釋目的的以上描述使用特定的術(shù)語來提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可明了，為實(shí)施本發(fā)明可不需要特定的細(xì)節(jié)。因而，本發(fā)明的特定實(shí)施方案的上述描述是為了說明和描述目的而給出的。它們無意于是窮盡的或者將本發(fā)明限于所公開的精確形式。根據(jù)以上教導(dǎo)，可以進(jìn)行許多改動和變化。例如，任何試劑可以被沉積到炭上 /炭內(nèi)，包括沉積在炭孔中和炭塊的外表面上的不同試劑。選擇并描述實(shí)施方案以更好地解釋本發(fā)明的原理和其實(shí)際應(yīng)用，以使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠最好地利用本發(fā)明和如適于所預(yù)期的具體用途的具有各種改動的各種實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種使試劑結(jié)合到生物炭中的方法，其包括 接收生物炭；向所述生物炭供給蒸汽以將所述蒸汽引入所述生物炭內(nèi)的孔中； 使所述生物炭浸于含有至少一種用于沉積的試劑的液體介質(zhì)中；以及將所述生物炭冷卻至低于所述蒸汽的冷凝溫度，以將至少一部分所述液體介質(zhì)吸入所述生物炭的所述孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述試劑包括磷酸氫二銨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括干燥所述生物炭以使所述試劑沉積在所述生物炭的所述孔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括從所述生物炭的外表面移除至少一部分所述試齊LU
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其中所述試劑為第一試劑；和其中所述方法還包括向所述生物炭的所述外表面施用第二試劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第二試劑包括鉀鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述供給之前，將所述生物炭冷卻至低于所述生物炭的燃燒溫度的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述供給還包括向所述生物炭供給蒸汽，使得在所述孔中按體積計(jì)至少約四分之三的氣體為蒸汽。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述干燥還包括干燥所述生物炭以使所述試劑在所述孔內(nèi)沉積到至少約20微米的深度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述真空為約0.25大氣壓或更低的壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述液體介質(zhì)為受污染的地表水，所述試劑為地表水污染物。
12.—種使試劑沉積到生物炭上的方法，其包括 接收具有孔的生物炭；將液體介質(zhì)吸入所述孔中，所述液體介質(zhì)包含至少一種用于沉積到所述生物炭上的試劑；使所述孔中的所述液體介質(zhì)蒸發(fā)，以使所述試劑沉積到所述生物炭的所述孔內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述蒸發(fā)還包括使所述液體介質(zhì)從所述生物炭的外表面蒸發(fā)，以使所述試劑沉積在所述外表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括從所述生物炭的外表面移除至少一部分所述試齊Ll。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法， 其中所述試劑為第一試劑；和其中所述方法還包括向所述生物炭的所述外表面施用第二試劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二試劑包括鉀鹽。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述產(chǎn)生還包括向所述生物炭供給蒸汽以將所述蒸汽引入所述生物炭的所述孔中；使所述生物炭浸于液體介質(zhì)中，所述液體介質(zhì)包含所述至少一種試劑；以及將所述生物炭冷卻至低于所述蒸汽的冷凝溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述供給還包括向所述生物炭供給蒸汽，使得在所述孔中至少約四分之三的氣體為蒸汽。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述試劑包括鉀鹽。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述蒸發(fā)還包括使所述試劑在所述孔內(nèi)沉積到至少約20微米的深度。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述產(chǎn)生還包括在所述孔內(nèi)產(chǎn)生壓力，所述壓力的大小為約0. 25大氣壓或更小。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述液體介質(zhì)為受污染的地表水，所述試劑為地表水污染物。
23.一種設(shè)備，其包括生物炭，所述生物炭具有外表面和從所述外表面延伸入所述生物炭中的孔，所述孔總共具有總的表面積；和試劑，所述試劑在所述孔內(nèi)沉積到至少約20微米的深度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述試劑包括磷酸氫二銨。
25.根據(jù)權(quán)利要求M的設(shè)備，其中所述試劑為第一試劑，并且其中所述外表面上沉積有第二試劑。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述第二試劑包括鉀鹽。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述試劑包括地表水污染物。
28.一種設(shè)備，其包括生物炭，所述生物炭具有外表面和從所述外表面延伸入所述生物炭中的孔，所述孔內(nèi)具有氣態(tài)混合物，所述氣態(tài)混合物的壓力為約0. 25大氣壓或更低。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀的設(shè)備，其中所述氣態(tài)混合物還包括至少約四分之三的蒸汽。
全文摘要
公開了用于將試劑沉積到生物炭的孔內(nèi)的相對深處的方法和設(shè)備。首先通過加熱生物質(zhì)原料在氣密爐中產(chǎn)生生物炭。然后使生物炭冷卻并使蒸汽擴(kuò)散到生物炭的孔中。使載有蒸汽的生物炭浸于含有待沉積到生物炭的孔中的可溶性試劑的液體浴中。液體浴將炭冷卻至低于蒸汽的冷凝溫度，由此冷凝蒸汽在孔內(nèi)產(chǎn)生局部真空，將液體吸入孔中。然后將生物炭從液體浴中移出并干燥，使得孔內(nèi)的液體蒸發(fā)，留下可溶性試劑。因而，本發(fā)明產(chǎn)生具有包埋在其孔內(nèi)相對深處的可溶性試劑的生物炭。
文檔編號C10L5/44GK102272272SQ200980153600
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者杰拉爾德·C·沙夫 申請人:格林皮羅有限公司