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1、(10)申请公布号 CN 103842314 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103842314 A (21)申请号 201280037257.3 (22)申请日 2012.05.29 13/154,213 2011.06.06 US C05F 11/08(2006.01) (71)申请人 酷星能源系统公司 地址 美国加利福尼亚州卡马里奥 (72)发明人 迈克尔谢赫 马克L雅兰德 罗纳尔多A西尔斯 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 巩克栋 杨生平 (54) 发明名称 使用生物炭促进土壤生长的方法 (57) 摘要 本文描述了一种用于提供来自生。
2、物质分馏器 装置的适合以高浓度添加到土壤中的炭(BMF炭) 的方法， 所述方法依赖于多个步骤， 包括从 BMF 炭 中除去有害的烃类、 从 BMF 炭中除去吸附的气体、 将微生物引入到所述 BMF 炭中以及调节土壤 pH。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.01.26 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/039862 2012.05.29 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/170231 EN 2012.12.13 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 10 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局。
3、 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书11页 附图10页 (10)申请公布号 CN 103842314 A CN 103842314 A 1/2 页 2 1. 一种用于产生用于促进土壤生长的试剂的方法， 其包括 ： 研磨生物质原料以产生研磨的生物质颗粒 ； 使所述研磨的生物质颗粒经受连续或同时的温度斜升和压力波 ； 在挥发性组分从所述研磨的生物质颗粒中释放时选择性收集至少一种挥发性组分 ； 收集最后剩余的包含 BMF 炭的非挥发性组分 ； 为所述 BMF 炭的表面提供亲水性 ； 使所述 BMF 炭暴露于微生物中 ； 以及 将所述 BMF 炭添加到土壤中。 2. 如权利要求 1 所述的方。
4、法， 其中将所述生物质颗粒研磨至约 0.001 英寸与约 1 英寸 之间的直径。 3. 如权利要求 1 所述的方法， 其进一步包括在使所述研磨的生物质颗粒经受连续或同 时的温度斜升和压力波之前将所述研磨的生物质颗粒分配到其总厚度是所述研磨的生物 质颗粒直径的多倍的薄片中， 其中所述多倍是在 1 至 30 的范围内的任何实数。 4. 如权利要求 1 所述的方法， 其中使用所述生物质原料以基于所述生物质原料的组成 产生不同的 BMF 炭。 5. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述压力波的大小在 0.2MPa 到 10GPa 之间变化， 其 中不同大小的混合压力波与时间范围内应用的压力波组合。 。
5、6. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述温度斜升包括在所述研磨的生物质颗粒内形成 非挥发性碳质材料的足够高的温度。 7. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述压力波增加在所述研磨的生物质颗粒内形成的 非挥发性碳质材料的热导率。 8. 如权利要求 1 所述的方法， 其中在含有超临界流体的大气中实施所述温度斜升和压 力波。 9. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述压力波减小所述研磨的生物质颗粒的有效密 度。 10. 如权利要求 1 所述的方法， 其中经由 pH 调节剂控制所述 BMF 炭的 pH。 11. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述 BMF 炭是活化的。 12. 如权利要求 。
6、1 所述的方法， 其中改变所述土壤的 pH 以接受 BMF 炭的添加。 13.如权利要求1所述的方法， 其中通过除去炭孔隙内吸附的气体来为所述BMF炭的所 述表面提供亲水性。 14. 如权利要求 13 所述的方法， 其中通过高温除去吸附的烃来为所述 BMF 炭的所述表 面提供亲水性。 15. 如权利要求 13 所述的方法， 其中通过水渗透、 真空吸引器、 超声波装置或冲击装置 除去吸附的气体。 16. 如权利要求 13 所述的方法， 其中通过引入含有可溶的植物营养物的水溶液除去吸 附的气体。 17. 如权利要求 1 所述的方法， 其中微生物包括真菌、 细菌或古生菌中的至少一种的成 员。 18.。
7、 如权利要求 17 所述的方法， 其中真菌选自球囊菌门的成员。 权 利 要 求 书 CN 103842314 A 2 2/2 页 3 19. 如权利要求 1 所述的方法， 其中所述 BMF 炭含有球囊霉素结构。 20. 一种用于产生用于促进土壤生长的试剂的方法， 其包括 ： 研磨生物质原料以产生具有在约0.001英寸与约1英寸之间的直径的研磨的生物质颗 粒 ； 将所述研磨的生物质颗粒分配到其总厚度是所述研磨的生物质颗粒直径的多倍的薄 片中 ； 使所述研磨的生物质颗粒经受连续或同时的温度斜升和压力波 ； 在挥发性组分从所述研磨的生物质颗粒中释放出来时选择性收集至少一种挥发性组 分 ； 收集最后剩。
8、余的包含 BMF 炭的非挥发性组分 ； 为所述 BMF 炭的表面提供亲水性 ； 将所述 BMF 炭添加到土壤中 ； 以及 使所述土壤和 BMF 炭暴露于微生物中。 权 利 要 求 书 CN 103842314 A 3 1/11 页 4 使用生物炭促进土壤生长的方法 技术领域 0001 本发明总体上涉及用于土壤促进的方法， 并且更具体地说涉及用于利用高表面积 的多孔炭促进土壤生长的方法。 0002 相关技术描述 0003 由于世界人口持续增长， 使得自然资源置于严峻的压力下。一个问题涉及生长足 够量的食物来养活增长的世界人口。 迫切寻求促进土壤生长的试剂来帮助养活这个增长的 人口数目。 木炭是一。
9、种这样的试剂， 但是目前为止其用途相当有限。 长久以来已经知道并实 践了木炭生产。 森林火灾产生木炭， 并且偶尔发现这对于土壤是有利的。 木材在氧气耗尽的 大气中燃烧产生木炭， 所述木炭保留营养物但是不容易破坏。 确实， 它在土壤中的平均停留 时间估计有几千年。参见， Cheng C.H.、 Lehmann J、 Thies JE 以及 Burton S.D.Stability of black carbon in soils across a climatic gradient.Journal of Geophysical Research Biogeosciences113(2008)G0。
10、20227。生物炭可以是一种有效的碳汇和碳封存剂 以及用于提高农业产量的试剂。 0004 若干研究已经显示添加到土壤中的生物炭在某些环境下可以促进土壤生长。例 如， 早已知道来自巴西的亚马逊土壤亚马逊黑土 (terra preta) 由土壤和含有比周围土壤 更高水平的植物营养物的木炭的混合物组成。所述亚马逊土壤是人为土壤， 所述木炭通过 在窑中燃烧木材并燃烧家庭垃圾和农业垃圾而形成。 常规厨房垃圾和灰烬也堆积在亚马逊 土壤中。 亚马逊黑土包含9%生物炭， 然而邻近的土壤通常具有小于0.5%的木炭浓度。 土壤 肥力已存留超过数百年。然而， 已难以在其它地方复制这种土壤。已经显示生物炭添加增 大了。
11、营养物如 N 和 P 的生物利用度。参见， 例如 Lehmann J、 DaSilva JP、 Steiner C、 Nehls T、 Zech W 以及 Glaser W.Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin:fertilizer,manure and charcoal amendments.Plant Soil249(2003)343-357。 还 参 见， Tryon EH.Effect of charcoa。
12、l on certain physical,chemical,and biological properties of forest soils.Ecological Monographs18(1948)81-115。 在一些环境下， 已显示生物炭其自身提供 了额外的营养物。一些农民实践了刀耕炭种 (slash-and-char) 技术， 所述技术优先于更任 意的刀耕火种 (slash-and-burn) 土壤管理。 0005 将高水平生物炭掺入到土壤中的先前的尝试已部分失效， 因为部分燃烧使剩余的 多芳香烃(PAH)遗留在所述炭内。 所述PAH与生物炭一起产生并且被吸附在所述生物炭内。 参见。
13、， Preston C.M.和Schmidt M.W.I.Black(pyrogenic)carbon:A synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions. Biogeosciences3(2006)397-420。 这些烃类抑制种子发芽并排斥土壤生长所必需的微生物 如真菌和细菌。尽管已知某些真菌能降解土壤中的 PHA， 但是开始降解可能要花费数星期， 因为真菌不能定居于适合的环境中。大约 80% 的导管植物家族由丛枝菌根 (AM) 真菌所定 居。这些真菌。
14、是专性共生物并且利用己糖形式的植物光合作用产物， 同时提供用于植物摄 取营养物 ( 尤其是是磷 ) 的高表面积网络。由化石燃料 ( 例如， 煤、 焦油砂、 石油 ) 产生的 说 明 书 CN 103842314 A 4 2/11 页 5 碳包含有毒化合物并且除去或过滤掉这些化合物没有成本效益。因此， 来自这些来源的碳 通常不适合添加到土壤中。 0006 涵盖将生物质来源的生物炭用作土壤添加剂的现有技术包括美国专利公开号 2010/0040510， 所述专利公开了在 780与 1100之间运行的将生物质转化为合成气和生 物炭的多级增压流化床气化炉。所述生物炭被认为能够添加到土壤中。美国专利公开号。
15、 2008/0317657 提供了一种用于以将炭添加到土壤中的形式封存碳的系统和方法 ； 所述炭 通过在未指定的反应器容器中使生物质气化而形成。 低热值的发生炉气体是所述过程的副 产物。美国专利公开号 2004/0111968 公开了在未指定的反应器中热解生物质以产生炭和 热解气体， 所述热解气体是重新形成氢气的蒸汽。使用未指定的营养物处理所述炭以形成 基于碳的肥料。美国专利公开号 2010/030086 详细描述了一种用于将可热解的有机物质转 变为生物碳的方法， 所述方法涉及收集的挥发性蒸汽的再循环。 0007 美国专利 6,811,703 教导了使用固相混合的溶剂聚合物作为土壤改良剂以用于。
16、 从水源中除去溶剂化有机化合物并保留无机离子以及将该聚合物连同至少一种离子交换 材料粘性地涂覆在沙土上。 所述固相混合的溶剂聚合物被认为通过对土壤提供另外的离子 交换网络来改进土壤中的有机渗滤液吸附并改善营养物保留。 所述离子交换被认为是肥料 离子保留在交换器中并随后缓慢释放到根部的良好机制。还已添加粘土来促进土壤生长。 这种方法的一个问题在于在暴露于水时， 粘土膨胀并且土壤孔隙堵塞。 0008 本发明实施方案的简要概述 0009 改变生物炭以促进土壤生长的以上方法大致上不同于本发明的以下实施方案 中陈述的方法。这些实施方案利用根据名称为 “Method for Biomass Fractio。
17、ning by Enhancing Thermal Conductivity” 的共同拥有的共同待决的美国专利申请号 13/103,905 中描绘的原理产生的一种新型炭(被称为BMF炭)， 所述申请的内容以引用的方式整体并入 本文。 此专利申请教导了在生物质分馏反应器内将生物质经受特定温度斜升和压力波分馏 成薄片以产生 BMF 炭并且处理所述 BMF 炭以用作土壤添加剂的系统和方法。 0010 本发明的实施方案公开了一种用于提供适合作为土壤生长剂的 BMF 炭的新型方 法。此方法可包括若干步骤， 所述步骤包括 ： (i) 形成 BMF 炭、 (ii) 驱逐 BMF 炭内的有害 试剂、 (iii。
18、) 对 BMF 炭内表面积提供亲水性以及 (iv) 将适合的营养物和微生物添加到 BMF 炭中。除用作土壤促进剂之外， BMF 炭可以持续长时间段封存碳。一种用于经由产生来自 生物质的煤进行碳封存的替代方法公开在名称为 “System and Method for Atmospheric Carbon Sequestration” 的共同拥有的共同待决的美国专利公开号 2010/0257775 中， 该专 利的内容以引用的方式整体并入本文。 0011 本发明的一些实施方案涉及一种用于利用来源于生物质分馏系统的新型炭促进 土壤生长的试剂。 0012 本发明的另外的实施方案涉及一种用于处理 BMF。
19、 炭以使其容易用于土壤改良的 方法。 0013 本发明的另外的实施方案涉及一种用于持续长时间段封存碳的方法。 0014 本发明的具体实施方案针对一种用于产生促进土壤生长的试剂的方法， 其包括 ： (i) 研磨生物质原料以产生研磨的生物质颗粒 ； (ii) 使研磨的生物质颗粒经受连续或同时 的温度斜升和压力波 ； (iii) 在挥发性组分从研磨的生物质颗粒中释放时选择性收集至少 说 明 书 CN 103842314 A 5 3/11 页 6 一种挥发性组分 ； (iv)收集最后剩余的包含BMF炭的非挥发性组分 ； (v)为BMF炭表面提供 亲水性 ； (vi) 使 BMF 炭暴露于微生物 ； 以。
20、及 (vii) 将 BMF 炭添加到土壤中。 0015 根据一些实现方式， 将所述生物质颗粒研磨至约 0.001 英寸与约 1 英寸之间的直 径。 所述方法可进一步包括在使研磨的生物质颗粒经受连续或同时的温度斜升和压力波之 前将研磨的生物质颗粒分配到其总厚度是研磨的生物质颗粒直径的多倍的薄片中。 在一些 情况下， 所述多倍可以是在 1 至 30 的范围内的任何实数。可以使用生物质原料以基于生物 质原料的组成产生不同的 BMF 炭。压力波的大小可以在 0.2MPa 至 10GPa 之间变化， 并且不 同大小的混合压力波可与时间范围内应用的压力波组合。 0016 在一些实施方案中， 温度斜升包括在。
21、研磨的生物质颗粒内形成非挥发性碳质材料 的足够高的温度。此外， 压力波可增大在研磨的生物质颗粒内形成的非挥发性碳质材料的 热导率。压力波还可以减小研磨的生物质颗粒的有效密度。在一些情况下， 在含有超临界 流体的大气中实施温度斜升和压力波。在本发明的另外的实施方案中， 经由 pH 调节剂可以 控制 BMF 炭的 pH。在不同实施方案中， 可以活化 BMF 炭并且可以改变土壤的 pH 以接受 BMF 炭的添加。 0017 根据以上方法的一些实现方式， 通过除去炭孔隙内吸附的气体为 BMF 碳表面提供 亲水性， 其中通过高温除去吸附的烃类为 BMF 炭表面提供亲水性。在一些实施方案中， 通过 水渗透。
22、、 真空吸引器、 超声波装置或冲击装置除去吸附的气体。在其它实施方案中， 通过引 入含有可溶的植物营养物的水溶液除去吸附的气体。根据本发明的不同实施方案， 微生物 可包括真菌、 细菌或古生菌中的至少一种的成员。 在一些情况下， 真菌选自球囊菌门(phyla Glomeromycota) 的成员并且 BMF 炭含有球囊霉素结构。 0018 通过以实例方式根据本发明的实施方案阐明特征的以下详述并结合附图， 本发明 的其它特征和方面将是清楚的。本概述不意图限制本发明的范围， 所述范围仅由在此所附 的权利要求书界定。 0019 附图简述 0020 本发明根据一个或多个不同实施方案参照以下附图进行详细描。
23、述。 所述附图仅出 于说明的目的来提供并且仅描绘了本发明的典型或示例性实施方案。 这些附图被提供来帮 助读者理解本发明并且不应该被认为限制本发明的宽度、 范围或适用性。 应注意， 为了清楚 和便于说明， 这些附图不需要按比例绘制。 0021 图 1 是描绘了根据本发明的一个实施方案的一种用于提供适合作为土壤促进剂 的生物炭的方法的流程图。 0022 图2a是示出了从生物质中产生BMF炭的流程图(包括任选活化步骤)， 而图2b是 示出了根据本发明的实施方案将生物质转化成 BMF 炭的基本操作原理的流程图。 0023 图 3 是示出了根据本发明的实施方案在反应室内应用的压力和相应生物质压力 和温度。
24、以及在此时间间隔期间的砧位置的实例的图。 0024 图4是示出了根据本发明的实施方案的生物质逐步分解并伴随BMF炭形成的实施 方案的流程图。 0025 图 5 是来自玉米的 BMF 炭的 SEM 图， 而图 5b 是来自用蒸汽活化的玉米的炭的 SEM 图。 0026 图 6a 是示出了莴苣植物在含有根据本发明的方法处理的不同浓度的炭的土壤中 说 明 书 CN 103842314 A 6 4/11 页 7 生长的图， 而图 6b 至图 6c 是描绘了植物在含有不同数量的木炭和沙土的调节 pH 的土壤和 营养物洗涤的土壤中生长的图。 0027 图 7a 是 BMF 炭的 SEM 图， 而图 7b 。
25、是由商业堆肥茶混合物定居的 BMF 炭的 SEM 图。 0028 所述附图未意图是详尽的或者限制本发明为所公开的精确形式。应理解， 可以通 过修改和改变来实践本发明， 并且本发明仅由权利要求书及其等同物限制。 0029 本发明实施方案的详述 0030 本发明的实施方案针对用于利用高表面积的多孔炭来促进土壤生长的方法。 在一 些实施方案中， 使用修饰生物质以使其具有亲水性表面并呈现对植物生长所必需的细菌、 古生菌和真菌友好的环境的方法来制备所述炭。 0031 图 1 示出了根据本发明的实施方案用于形成被修饰以用作土壤生长促进剂的新 型生物炭的基本步骤。初始步骤包括其中例如使用生物质分馏器从生物质。
26、中形成 BMF 炭的 BMF炭产生过程600。 随后的步骤涉及用于从BMF炭中除去有害烃类的过程610、 用于从BMF 炭中除去吸附的气体的过程 620、 用于将可溶的营养物引入到 BMF 炭中的任选过程 630、 用 于将堆肥试剂添加到 BMF 炭中的过程 640、 用于调节土壤或 BMF 炭的 pH 的过程 650 以及用 于将 BMF 炭与土壤混合的过程 660。通过每个步骤的以下描述本发明的全部性质将是清楚 的。 0032 生物炭产生 0033 生物炭产生的基本原理 ( 过程 600) 公开在名称为 “Method for Biomass Fractioning by Enhancin。
27、g Thermal Conductivity” 的共同拥有的共同待决的美国专利申 请号 13,103,905 中， 所述专利以引用的方式整体并入本文。以下是生物炭产生的可能的实 施方案。现在参考图 2a， 生物质 40 任选在过程 41 中进行预处理并且逐渐地装载到多个可 移动的生物质反应室 51 中， 所述反应室 51 可通过常见驱动机构如齿轮驱动、 链驱动、 棘轮 链齿轮等来移动。反应室 51 可被安排在可连续或以逐步的方式旋转的圆盘上。预处理可 以包括干燥步骤或其它步骤。 0034 如本文使用的术语 “生物质” 包括来源于植物源或容易从植物源获得的任何材料。 这些材料可包括但不限于 ： 。
28、(i) 植物产物如树皮、 叶子、 树枝、 树桩、 硬木屑片、 软木屑片、 葡 萄藤粉料 (grape pumice)、 甘蔗渣、 柳枝稷 ； 以及 (ii) 球粒材料 (pellet material) 如草、 木材和干草球粒， 农作物产物如玉米、 小麦和洋麻。此术语还可以包括种子如蔬菜种子、 向 日葵种子、 水果种子以及豆科种子。术语 “生物质” 还可以包括 ： (i) 废产物， 包括动物杂 肥如来源于家禽的废弃物 ； (ii) 商业的或循环的材料， 包括塑料、 纸、 纸浆、 硬纸板、 锯屑、 木料残渣、 刨花木屑以及布料 ； (iii) 城市废物， 包括污水废物 ； (iv) 农业废弃物，。
29、 如椰子 壳、 山核桃壳、 杏仁壳、 咖啡研磨物 ； 以及 (v) 农业饲料产物， 如稻草、 麦秸、 稻壳、 玉米秸秆 (corn stover)、 玉米秸秆 (corn straw) 以及玉米芯。 0035 进一步参考图 2a， 通过多种技术可以将生物质 40 研磨成适合分配到反应室 51 中 的颗粒尺寸。颗粒尺寸的直径范围可以是 0.001 英寸至 1 英寸， 其由处理装置尺寸和热传 递速率所限制。 0036 本发明的实施方案的特征在于比其厚度更宽和更长的生物质室 51。在一些情况 下， 将生物质分配到其总厚度是生物质颗粒尺寸的 1 至 30 倍的薄片中。用于未压缩的生物 质 ( 所述生物。
30、质研磨或剁碎至 1/8“ 或更小 ) 的室的优选厚度大约为厚度的 3/4“。随着对 说 明 书 CN 103842314 A 7 5/11 页 8 生物质进行加热并进一步粉碎 ( 如下文所讨论的 )， 形成的 BMF 炭 52 迅速压缩成约 1/10“ 厚度的层。此比例确保允许收集被称为生物中间体化合物的适用性化学化合物和产生 BMF 炭52的温和热解条件。 本领域技术人员将了解， 可以将这些生物质室51的宽度和长度以及 其相应驱动圆盘的直径设定尺寸至如适于所需的生物质分馏器生产量的任何这样的尺寸， 而不背离本发明的范围。 0037 参考图 2b， 通过加热剂如在处理站 58 处的金属砧使研磨。
31、的生物质首先经受加热 曲线 T1( 通常是线性温度斜升 )。在一些情况下， 此第一 T1 曲线的目的是使生物质脱 水。随后的 Tn 曲线结束在逐渐更高的温度处并且具有使用逐渐更高的脱挥发温度来排 气并将生物质热化学地转变成适用的生物化合物的目的。 为了以选择性方式实现这种脱挥 发性作用， 温度处理伴随压力处理。压缩站 59( 例如包括一系列砧 ) 使生物质经受所附压 力曲线 Pn， 所述压力曲线 Pn 包括利用碳的固有压缩特征的一系列压力波。 0038 在一些实施方案中， 所述温度曲线是范围在 0.001 / 秒至 1000 / 秒并且优先 在 l / 秒至 100 / 秒的线性斜升。例如， 。
32、通过电加热元件、 直接火焰燃烧或者通过加热 的工作气体或超临界流体的定向射流可以加热处理加热站58。 经由反馈回路可以连接加热 曲线和压力压缩曲线并且通过相同试剂可以同时应用两种曲线。通过电力驱动设备、 空气 压缩设备或者用于冲击生物质负载的任何其它形式的能量可以控制压缩站59。 在这些处理 步骤之后留下 BMF 炭 52。随后通过经由过程 53 使其在高温下与氧气、 甲烷、 二氧化碳或蒸 汽反应以形成超高表面积的多孔材料 54 可以任选活化它。 0039 生物质 40 的选择性热解源于应用的压力脉冲、 应用的温度与由生物质经历的合 成压力和温度之间的相互作用。此过程图表地示出在图 3 中， 。
33、所述图 3 示出了应用的压力、 生物质温度、 生物质压力以及砧位置对时间的函数。 应理解， 可以应用很多种不同类型的压 力脉冲并且完整说明是教学式设备。在图 3 中， 经由压缩站 59 应用的压力波被显示为具有 未指定的静止时间的一系列三角形压力脉冲。此过程通过利用水的热导性而开始。首先所 述生物质经受足够引起所述生物质释放水的温度斜升。 随后释放的加热的水蒸气经受压缩 蒸汽的压力波从而加速生物质分解。蒸汽获得超临界形式可以是可能的， 尽管这不是本发 明所必需的。 0040 在应用峰值压力之后的短时间， 通过萃取的挥发性化合物的压力推回所述砧。当 挥发性化合物随着蒸汽一起除去时， 生物质内的压。
34、力突然减小。生物质压力迅速返回到基 本水平， 并且所述砧返回到其未伸展的基本位置。 在已将水完全从生物质中除去之后， 应用 的温度引起生物质内的的热局部区域， 引发形成碳。 反之， 对新形成的碳的压缩冲击增大了 碳的热导率。 增大的热导率用于将破坏生物质所需要的热能有效地传递到其分解的下一阶 段中。此外， 因为碳呈现压缩记忆， 所以压缩冲击足以发挥对热导率的这种作用。 0041 在商业碳电阻器如低压力计的研究中已经间接证明了碳的压缩记忆。参见 Rosenberg,Z. 等人 International Journal of Impact Engineering34(2007)732-742。 。
35、在这些研究中， 金属圆盘以高速从气体自动枪中发射并冲击其中嵌入碳电阻器的环氧树脂 或树脂玻璃目标。冲击之后测量随着时间变化的电阻变化。注意， 电阻在小于一微秒时间 内减小相当迅速并且持续若干微秒 ( 在一些情况下超过 10 微秒 ) 保持低水平， 直到它开 始逐渐增大到冲击前的水平。在冲击之后基本上存在记忆效应或缓慢松弛。因为如同金 属一样碳的电阻与热导率反相关 ( 参见， 例如， Buerschaper,R.A. 在 Journal of Applied 说 明 书 CN 103842314 A 8 6/11 页 9 Physics15(1944)452-454 和第 5 版 Encyclo。
36、pedia of Chemical Technology 中 )， 这些研 究揭示了对碳部分的压缩记忆。在本发明的实施方案中至少部分利用了这种压缩记忆。 0042 本发明的实施方案也利用了碳被压缩时的热导率增大。 在碳粒传声器中在压力下 的电阻变化是由碳电话(carbon telephone)和碳扩音器(carbon amplifier)所利用的已 熟知的效应。Thomas Edison 的美国专利号 203,216、 美国专利号 2,222,390 以及美国专利 号 474,230 描述了将声音压缩 ( 振动 ) 转换为碳粒的电阻变化的装置。在其电阻与热导率 之间的逆关系中碳甚至比大多数金属。
37、更敏感。以下是指示与测量的 BMF 碳热导率相比的各 种物质热导率的数据(化学和物理CRC手册(CRC Handbook of Chemistry and Physics)， 第 87 版 )。 0043 表 1. 选择以 W/(mK) 计的热导率 0044 0045 随着生物质内形成的碳的热导率因压力波而增大， 随后获得在生物质内的温和热 解条件变得更容易。当达到更高的温度时， 碳是比水更好的传热剂的事实使得更高沸点的 化合物能够挥发。压力波用于压缩这些更高沸点的化合物并且帮助粉碎生物质内的细胞 壁。此过程通过图 3 显示出来， 通过在随后的脉冲应用的情况下使得砧延伸在峰值压力下 变得更长从。
38、而指示连续的生物质粉碎和适用的更高沸点化合物的释放。 0046 多种压力曲线 Pn 有效于增大碳热导率。压力的大小可从 0.2MPa 到 10GPa 之间 变化， 并且可以经由多种不同技术来应用， 所述技术包括空气驱动活塞、 液压驱动活塞以及 爆炸驱动设备。压力应用的持续时间可以从 1 微秒至 1 星期之间变化。应理解， 可以混合 不同大小的压力波和不同持续时间以产生最适宜结果。 0047 通过在反应室内添加超临界流体可以增大通过本发明的实施方案进行的有效热 能传递。已知超临界流体可以提高热传递并且加速反应速率。使用超临界二氧化碳、 超临 界水、 超临界甲烷、 超临界甲醇或以上混合物可以运行某。
39、些实施方案。 可能的是使用一些压 力和温度曲线来内部形成超临界条件。 0048 在这些处理步骤之后留下 BMF 炭 52。炭的物理性质将根据起始生物质材料而不 同， 所述起始生物质材料可包括任何以上所述的材料如木材、 草、 城市固体废弃物等。预期 不同生物质原料产生多孔性质和其它物理性质不同的不同类型的 BMF 碳。可以单独地或者 说 明 书 CN 103842314 A 9 7/11 页 10 作为不同原料的混合物装入生物质原料以产生含有不同物理性质的炭。 0049 在形成 BMF 炭之后， 最后的处理步骤是将 BMF 炭转移出反应室以用于随后的保存 或者以装入到生物炭反应器中用于随后的任选。
40、活化53。 经由任何数量的机械装置(包括配 备有刮刀的压力棒 ) 可以实现所述转移。 0050 图 4 示出了使用以上列出的原理逐步分解生物质并伴随着 BMF 碳形成的实施方 案。参考图 4， 以含有提取物、 木质素、 半纤维素以及葡聚糖的木片形式提供干燥的生物质 90。操作 92 涉及尺寸减小， 其中所述生物质被研磨至 1/16” 尺寸并且被放置在大约 3/4” 厚的室中的旋转托盘上。在生物质分馏反应器 94 内， 所述生物质在无氧的大气中持续不同 时间量经受 25 / 秒的温度斜升和持续 2 秒钟的具有 50% 占空比的 80MPa 间歇压力波。观 察到脱挥发的化合物的以下分布 96 ： 。
41、0051 表 2. 脱挥发的化合物的分布 0052 0053 除示出脱挥发的组分之外， 图 4 还示出所得到的 BMF 炭 100 和脱挥发的有机组分 可能催化转化成各种液体燃料 98 如生物柴油、 烃、 芳香族化合物、 喷气燃料、 BTX、 轻质烃、 汽油、 柴油、 甲醇以及DME。 作为一起产生的化学品， 有机化学品96其自身也可能是有用的。 与之相比， 典型的热解过程没有呈现如上文所示的明确的挥发谱图。 0054 BMF 炭活化 0055 在使用之前优选对 BMF 炭进行活化。活化是用于增大炭表面积和吸附能力的 已熟知的程序。参见， 例如 Lima,I.M. 等人， 在 Journal 。
42、of Chemical Technology and Biotechnology， 第85卷， (2010)， 1515-1521页中。 活化步骤是任选的预处理和选择性燃烧 步骤， 其旨在形成另外的表面积来加速随后所需的反应。典型的活化剂包括 CO2、 H2O 和 O2。 表 2 示出了在 900下对使用生物质分馏反应器产生的 BMF 炭使用不同活化剂所获得的数 据。在此情况下， BMF 炭来源于玉米芯。 0056 活化时的增大的 BMF 炭表面积以损失材料的代价获得并且用于形成所述炭内的 多孔结构。无论是暴露于氧气中还是暴露于甲烷和空气中， 测量到大约 40% 的起始重量损 失。活化程序可产。
43、生超过 500m2/g 的表面积。 0057 表 3 ： 活化剂对 BMF 炭的作用 0058 说 明 书 CN 103842314 A 10 8/11 页 11 0059 图5a描绘了来源于玉米芯的未活化的BMF炭的SEM显微照片， 而图5b是在900 下的蒸汽活化之后的玉米芯炭的 SEM 显微照片。此材料具有测量的 760m2/g 的 BET 表面积 和的平均孔隙尺寸， 然而未活化的材料通常产低于100m2/g的BET表面积和超过 的平均孔尺寸。 0060 由于不同处理历史， 从生物质分馏过程中产生的 BMF 炭不同于从裂解炉中形 成的碳质沉积物或者来自石化厂的焦炭。能够体现本发明的方法的。
44、系统描述在名称为 “System and Method for Biomass Fractioning” 的共同拥有的共同待决的美国专利申请 号 2010/0180805 中， 所述专利申请的内容以引用的方式整体并入本文。此系统包括生物质 负载和倾卸站 (dump station)， 一个用于压缩生物质的加热粉碎处理站， 一个用于除去剩 余生物炭的生物炭倾卸站以及一个能够在站与站之间运送生物质的多个生物质反应区。 0061 除去烃类 0062 根据木炭所经受的最后温度， 典型的木炭含有分解的不同阶段中的多种烃。在木 材的典型碳化过程中， 根据温度实现挥发的不同阶段。 在早期加热阶段期间， 在木。
45、材吸收热 量时它释放出水蒸气。在 110以上木材开始分解， 主要产生 CO、 CO2、 醋酸、 甲醇以及其它 微量组分。约 280开始放热分解并且开始形成焦油。仅在 400以上， 木材已经基本上转 化成木炭， 但是这种木炭仍含有约其重量 1/3 的焦油物质。需要进一步加热以驱除所述焦 油。由于木材的高孔隙度性质而难以除去焦油， 除非达到超过焦油组分的平衡分解温度的 足够高的温度。 0063 本文所述的方法大致上不同于典型的碳化之处在于使用了温和的热解来获得多 种适用的挥发性化合物， 从而使焦油形成最小化。所得的 BMF 炭在形态学和残渣方面大致 上不同于典型的木炭。 少量的疏水烃、 具体地说多。
46、芳香烃(PAH)可以抑制微生物定居于BMF 炭。提供对随后的微生物入侵友好的 BMF 炭的第一步骤是驱逐这些疏水烃。需要 700以 上的温度以从 BMF 炭壁中除去疏水烃。烃除去步骤可以与活化步骤组合。 0064 从炭孔隙中除去吸附的气体 0065 提供BMF炭更大亲水性的下一个步骤涉及除去BMF炭孔隙内吸附的气体以允许水 渗透。这很重要， 因为 BMF 炭可以是含有大量牢固吸附在其孔隙内的气体的高表面积化合 物 ( 通常在活化的形式中超过 300m2/g)。这些气体牢固吸附在孔隙表面并且除去它们是非 常有利的。用于除去吸附的气体的简单方法是将 BMF 炭浸入在沸水中。在本文中这可以被 称为 。
47、“浸润步骤” 。 0066 在浸润步骤期间或之后可以引入任选可溶的营养物。 所述营养物进入高表面积多 孔环境中并且在某种程度可以与吸附的气体交换。 营养物可以包括含有氮、 磷、 钾、 钙、 镁以 及硫的主要营养素和含有钼、 锌、 硼、 钴、 铜、 铁、 锰以及氯的微量营养素。高表面积的多孔 BMF炭为植物提供了对相对大量的营养物的使用。 另外， 有时当在BMF炭缺乏下降雨易于将 这些营养物从土壤中冲洗掉时 BMF 炭保留它们。除了水渗透之外， 其它方法包括超声波、 真 说 明 书 CN 103842314 A 11 9/11 页 12 空以及冲击除去空气。 0067 添加有利的微生物 0068。
48、 一旦浸润， BMF 炭就准备好接受有利的微生物。这些微生物可包括向共生的植物 供应营养物的真菌、 古生菌以及细菌。可以多种不同方式引入所述微生物， 所述方式包括 将 BMF 炭与堆肥和水混合、 将堆肥茶添加到 BMF 炭中、 将后者与堆肥共混或者将 BMF 炭与 盆栽土共混。在使用堆肥茶的实施方案中， 所述产品可以在供应商处购买， 如 Bu s Brew Biodynamic(Malibu Compost Inc,Santa Monica,California)、 Nature s Solution Compost(Nature s Technologies International LL。
49、C,Novato,California) 或者 (Fungi Perfecti,Inc.,Olympia,Washington)。可以搅动堆肥茶以维持微 生物繁殖的最适宜氧浓度。 电起泡通风器、 多孔石或手动搅拌是维持足够通风的适合方法。 根据目标土壤可以使用真菌、 古生菌和细菌的不同组合物。 0069 特别有利的真菌是丛枝菌根真菌， 它们在其菌丝和孢子上表达糖蛋白球囊菌素。 这些真菌是球囊菌门的成员。 这种蛋白质有助于土壤颗粒结合在一起并且是良好的土壤耕 性的原因。当引入到生物炭中时， 所述真菌将在生物炭孔隙内表达球囊霉素并通过使生物 炭结合土壤颗粒来帮助维持良好的土壤结构。另外， 由菌丝提供的根部结构允许营养物渗 透在或渗透出由生物炭提供的高表面积的环境中。 0070 调节土壤 pH 0071 早已知道， 土壤 pH 是维持土壤健康和生产率的重要变量。土壤 pH 易于改变植物 营养物的生物利用度。 一些土壤本身本质上是酸性或碱性的并且土壤改良。