一种多孔墙体基质块及其制备方法与流程

本发明属于农业废弃物增值化利用领域，涉及一种种植基质的制备方法，具体涉及一种多孔墙体基质块及其制备方法。

背景技术：

墙体基质主要用于绿色墙体的植被种植，进而实现净化空气、美化建筑、调节室温、隔绝噪音等城市生态功能，应具有成型性好、比重小、性质稳定、孔隙度高、吸水保水性好等优点。根据结构不同，墙体基质可分为一体式、槽式和包覆式三类。其中，一体式基质是将墙体建筑材料与植被种植所需的基质成分融为一体，使得整个墙面在建筑施工后，既具有建筑功能，又能够用作墙面植被种植。这类基质有一定建筑性能要求，通常比重较大，且在使用过程中，随植被生长，墙体建筑功能亦随之急剧下降，仅适于用作单纯绿色景观墙体的建造。槽式基质事实上是绿色屋顶基质、花坛绿化基质、温室培养基质等常见基质的变种，通常在目标墙体根部设槽盛放所需基质，同时配有水肥调控系统，既适用于室内绿色墙体的植被栽种，又能够用于室外墙面的绿化。但槽式基质结构复杂，通常会在施工现场进行堆叠、组装，工程量大且工期长，因而实施效率低、成本高。包覆式基质则是将目标基质块包覆于建筑骨架或目标墙体周围，从而实现心部承担建筑负荷、表层适合绿植栽培的效果，常采用水泥、岩土、煤灰等复合有机腐殖质制成。但因这类基质成型性较差，因而难以用于曲面墙体；同时包覆式基质比重较大，在使用过程中有层高限制。

为解决当前墙体基质实施效率低、比重大、成型性能差等问题，需提供一种新的比重小、成型性好、品质可控的多孔墙体基质块，并研发与之配套的低成本、高效、大批量制备方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有墙体基质及其制备技术的不足，提供了一种简单高效、节能环保的多孔墙体基质块低成本制备方法。

本发明提供一种多孔墙体基质块的制备方法，通过如下步骤实现：

一种多孔墙体基质块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、将农作物秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得粗、中、细3种大小的秸秆粉末，并将之均匀混合，获得混合秸秆粉末；

步骤(2)、将步骤(1)所得混合秸秆粉末均匀铺撒在石墨坩埚底层，形成垫底层；

步骤(3)、在步骤(2)的垫底层之上铺一层混合粉末，所述混合粉末由步骤(1)所得混合秸秆粉末、铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉混合均匀组成；

步骤(4)、将红磷粉均匀铺撒在步骤(3)混合粉末之上，使得红磷粉完全覆盖所述混合粉末；

步骤(5)、将步骤(4)中铺好所有粉末的石墨坩埚置于另一更大的陶瓷坩埚内，并用红磷-秸秆混合粉末填充石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚内壁间的间隙，使石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚之间被红磷-秸秆混合粉末隔开；

步骤(6)，引燃步骤(4)混合粉末之上的所述红磷粉，待坩埚内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，即可从石墨坩埚内获得与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。

优选的，步骤(1)中，所述粗、中、细3种大小的秸秆粉末分别为10-50目、50-100目、100-200目大小的秸秆粉末。

优选的，步骤(1)中，所述混合秸秆粉末的各组分比例按照质量分数计为：粗秸秆10份、中秸秆10-15份、细秸秆5-15份。

优选的，步骤(3)中，所述铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉均为100-200目大小的粉末。

优选的，步骤(3)中，所述混合粉末的各组分比例按照质量分数计为：混合秸秆40份、铝68-78份、硅铁19-28份、硝酸钾81-91份、硝酸钠68-77份、高锰酸钾份14-25、氟化钠1-3份。

优选的，步骤(4)中，所述红磷粉的目数大小为100-200目。

优选的，步骤(5)中，所述红磷-秸秆混合粉末的各组分比例按照质量分数计为：红磷25-35份、秸秆65-75份。

优选的，所述硅铁粉的牌号为fesi90al1.5。

优选的，所述陶瓷坩埚的内径为石墨坩埚外径的2倍。

优选的，所述石墨坩埚内从下至上，垫底层的秸秆粉末、混合粉末和最顶部的红磷粉按照质量比为1：27-39：1。

优选的，所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆或油菜秸秆。

一种多孔墙体基质块，其特征在于：采用上述一项所述制备方法制备。

优选的，所得多孔墙体基质块的密度在0.77到1.13g/m³之间，孔隙直径在9nm到343nm之间，净吸水量在自重的0.89-1.04倍之间。

本发明原理为：当步骤(4)所述红磷粉被引燃后，燃烧波以被引燃区域中心向四周和下方蔓延，使得秸秆粉末随之燃烧，生成大量碳氧化物气体。同时，铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉和高锰酸钾粉受热发生剧烈氧化还原反应，生成铝硅酸盐并释放大量热量和氮氧化物气体。碳氧化物气体和氮氧化物气体一经生成便向上逸出，对整个燃烧体系形成托举、搅拌效应。未来得及反应的秸秆粉末、秸秆不完全燃烧形成的秸秆生物炭以及熔融的铝硅酸盐被充分混合，并在充斥气泡的环境中缓慢冷却，最终形成与石墨坩埚内腔造型相同的多孔墙体基质块。所涉及的主要化学反应为：

4al+si+6kno3＝k2sio3+4kalo2+5no+no2

4al+si+6nano3＝na2sio3+4naalo2+5no+no2

7al+3kmno4＝2al2o3+3kalo2+3mn

石墨坩埚内表层的红磷粉有助燃作用。红磷粉燃烧释放大量热量，有助于红磷粉下方混合粉末的引燃。同时，燃烧生成的磷氧化物会最终与其他反应产物化合，以磷酸盐的形式融入基质成分中，在后续植被种植中为植株提供缓释性磷元素。

中间层混合粉末采用粗、中、细3种大小的秸秆粉末为核心组元，确保秸秆燃烧造气的同时，既能生成具有肥效性质的生物炭，还有未来得及反应的秸秆残余，进而提升基质内的有机质含量。其中细小秸秆粉末主要用于迅速参与燃烧、生成气体，制造气孔；中等秸秆粉末则用于持续燃烧，维持反应进程，产物以碳氧化物气体和不完全燃烧形成的生物炭为主；粗大秸秆粉末的反应产物，除碳氧化物气体和不完全燃烧形成的生物炭外，还含有未来得及燃烧的秸秆粉末，主要用于给基质补充有机质以提升其养分含量。三种大小的秸秆粉末均匀混合，使得生成的生物炭和未来得及燃烧的秸秆粉末最终能够被铝硅酸盐包覆，均匀分布于基质之中，在后续植被种植中通过基质内的孔隙向植株缓慢、稳定的释放养分。

混合粉末中氟化钠用作造渣剂，促进产物中铝硅酸盐的熔融和成型。

事先在石墨坩埚底部均匀铺撒秸秆粉末是为了在多孔基质块和石墨坩埚之间形成隔离层，以避免基质块底部和石墨坩埚粘连而难以取出。

将石墨坩埚置于更大的陶瓷坩埚内并在石墨坩埚外壁和陶瓷坩埚内壁间的间隙中填充红磷-秸秆混合粉末的目的在于减小石墨坩埚散热速率的同时，营造回火环境，改善产物品质。当石墨坩埚内发生燃烧反应时，会释放大量热量诱发红磷燃烧，进而带动秸秆亦随之缓慢燃烧，从而在石墨坩埚周围形成温度稳定的保温层。保温层的存在使得反应结束后多孔基质块能够缓慢冷却，进而减小热应力，避免微裂纹产生，从而提升基质块的强度。同时，生成的多孔基质块在保温层温度下发生回火，内部组织变得更加均匀，残余应力亦得到释放，性能得以改善。

本发明所涉方法的主要优点和有益效果在于：

原料廉价、易得、可再生；生产投入小、能耗低、效率高；操作简单、可复制性好；能够按照墙体外形需求设计基质块的形状。制得的多孔墙体基质块比重小、成型能力强，富含养分，具有良好的吸水保水性。

附图说明

图1是本发明的制备方法所采用的装置图；

图2是本发明实施例3所得多孔墙体基质块断面的扫描电子显微镜照片。

附图标记：

1-石墨坩埚，2-陶瓷坩埚，3-红磷-秸秆混合粉末，4-红磷粉，5-混合粉末，6-混合秸秆粉末层。

具体实施方式

通过以下实施例的说明将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例1

首先，将水稻秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得10目、50目、100目大小的秸秆粉末，并将之依次按照10：10：5的质量比混合均匀，得到混合秸秆粉末，将混合秸秆粉末铺撒在石墨坩埚1底层，形成混合秸秆粉末层6。另取混合秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉按照40：68：19：91：77：25：1的质量比均匀混合后，得到质量为混合秸秆粉末层6的27倍的混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的混合秸秆粉末层6之上。最后在石墨坩埚1中混合粉末5表层均匀铺撒一层和混合秸秆粉末层6质量相同的100目大小的红磷粉4。在陶瓷坩埚2中放入质量比为25：75的红磷-秸秆混合粉末后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被红磷-秸秆混合粉末3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被红磷-秸秆混合粉末3充分包裹。引燃红磷粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。对所得多孔墙体基质块进行密度测试、sem观察和吸水性分析，结果表明：所得多孔墙体基质块的密度为0.77g/m³，孔隙直径在15nm到343nm之间，净吸水量为自重的1.04倍。

实施例2

首先，将玉米秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得50目、100目、200目大小的秸秆粉末，并将之依次按照10：15：15的质量比混合均匀，得到混合秸秆粉末，将混合秸秆粉末铺撒在石墨坩埚1底层，形成混合秸秆粉末层6。另取混合秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉按照40：78：28：81：68：14：3的质量比均匀混合后，得到质量为混合秸秆粉末层6的39倍的混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的混合秸秆粉末层6之上。最后在石墨坩埚1中混合粉末5表层均匀铺撒一层和混合秸秆粉末层6质量相同的200目大小的红磷粉4。在陶瓷坩埚2中放入质量比为30：70的红磷-秸秆混合粉末后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被红磷-秸秆混合粉末3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被红磷-秸秆混合粉末3充分包裹。引燃红磷粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。对所得多孔墙体基质块进行密度测试、sem观察和吸水性分析，结果表明：所得多孔墙体基质块的密度为1.01g/m³，孔隙直径在9nm到266nm之间，净吸水量为自重的0.95倍。

实施例3

首先，将小麦秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得50目、80目、200目大小的秸秆粉末，并将之依次按照10：15：5的质量比混合均匀，得到混合秸秆粉末，将混合秸秆粉末铺撒在石墨坩埚1底层，形成混合秸秆粉末层6。另取混合秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉按照40：78：28：86：72：25：1的质量比均匀混合后，得到质量为混合秸秆粉末层6的33倍的混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的混合秸秆粉末层6之上。最后在石墨坩埚1中混合粉末5表层均匀铺撒一层和混合秸秆粉末层6质量相同的150目大小的红磷粉4。在陶瓷坩埚2中放入质量比为35：65的红磷-秸秆混合粉末后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被红磷-秸秆混合粉末3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被红磷-秸秆混合粉末3充分包裹。引燃红磷粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。对所得多孔墙体基质块进行密度测试、sem观察和吸水性分析，结果表明：所得多孔墙体基质块的密度为1.13g/m³，孔隙直径在11nm到318nm之间，净吸水量为自重的0.99倍。

实施例4

首先，将棉花秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得40目、80目、120目大小的秸秆粉末，并将之依次按照10：12：10的质量比混合均匀，得到混合秸秆粉末，将混合秸秆粉末铺撒在石墨坩埚1底层，形成混合秸秆粉末层6。另取混合秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉按照40：70：25：88：72：20：3的质量比均匀混合后，得到质量为混合秸秆粉末层6的30倍的混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的混合秸秆粉末层6之上。最后在石墨坩埚1中混合粉末5表层均匀铺撒一层和混合秸秆粉末层6质量相同的200目大小的红磷粉4。在陶瓷坩埚2中放入质量比为28：72的红磷-秸秆混合粉末后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被红磷-秸秆混合粉末3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被红磷-秸秆混合粉末3充分包裹。引燃红磷粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。对所得多孔墙体基质块进行密度测试、sem观察和吸水性分析，结果表明：所得多孔墙体基质块的密度为0.90g/m³，孔隙直径在25nm到287nm之间，净吸水量为自重的0.89倍。

实施例5

首先，将油菜秸秆全株晒干并掸掉沙土后，用粉碎机粉碎过筛，获得20目、100目、200目大小的秸秆粉末，并将之依次按照10：12：12的质量比混合均匀，得到混合秸秆粉末，将混合秸秆粉末铺撒在石墨坩埚1底层，形成混合秸秆粉末层6。另取混合秸秆粉末、100目大小的铝粉、硅铁粉、硝酸钾粉、硝酸钠粉、高锰酸钾粉和氟化钠粉按照40：75：20：83：75：15：1的质量比均匀混合后，得到质量为混合秸秆粉末层6的35倍的混合粉末5，并将其放入石墨坩埚1中的混合秸秆粉末层6之上。最后在石墨坩埚1中混合粉末5表层均匀铺撒一层和混合秸秆粉末层6质量相同的100目大小的红磷粉4。在陶瓷坩埚2中放入质量比为32：68的红磷-秸秆混合粉末后，将装有混合粉末的石墨坩埚1放入陶瓷坩埚2中，并确保石墨坩埚1外壁和陶瓷坩埚2内壁间的间隙被红磷-秸秆混合粉末3完全填充，使得石墨坩埚1外壁被红磷-秸秆混合粉末3充分包裹。引燃红磷粉4，待石墨坩埚1内所有粉末燃烧结束并完全冷却后，从石墨坩埚1内取出与之内腔造型相同的多孔墙体基质块。对所得多孔墙体基质块进行密度测试、sem观察和吸水性分析，结果表明：所得多孔墙体基质块的密度为0.88g/m³，孔隙直径在16nm到295nm之间，净吸水量为自重的0.97倍。

上述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。

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