磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术为磺化‑羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法和装置。是通过改性制备秸秆基生物质减水剂的方法和设备。旨在通过对秸秆原料的预处理和磺化‑羟甲基化改性，制备出生物质减水剂。其制备方法由秸秆原料预处理和磺化‑羟甲基化改性两部分组成，秸秆预处理包括初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎和水解过程；磺化‑羟甲基化改性由物料氧化断链、磺化改性、碱化和羟甲基化改性组成。所用设备包括初碎、清洗、干燥装置、旋风分离器、二次粉碎、微碎装置、集料仓称重装置、螺旋挤出水解机、配料储罐、螺旋挤出改性反应机组和储料罐。本发明专利技术用于制备秸秆基生物质减水剂。

【技术实现步骤摘要】
磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法和装置
本专利技术涉及通过改性制备秸秆基生物质减水剂的方法和装置，特别涉及磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法和装置。
技术介绍
目前，伴随着制备混凝土外加剂的新一代高性能的石油基聚羧酸减水剂所需石化原料的日益匮乏，导致价格一路攀升和混凝土优质骨料的逐渐消耗殆尽而迫使使用含泥量高的低质砂石骨料的突出问题，制约了新一代高性能的聚羧酸减水剂的快速发展，使其生产成本不断攀升和由于混凝土中砂石含泥量较高导致聚羧酸减水剂在混凝土中体现出来的的高减水、高流动、高强度、高耐久等“高性能”的失去，对混凝土的质量带来安全隐患，使得本具有比萘系、脂肪族系、氨基磺酸盐系、木质素系等减水剂的更高性能优势的聚羧酸减水剂不能在建筑行业的大力推广应用来提升建筑质量的遗憾。随着聚羧酸减水剂作为混凝土的新型外加剂具有的高成本、低耐泥性等面临的诸多问题，国内外学者近几年开始研究低成本、抗泥抗盐型的聚羧酸减水剂所制备得原料选择和合成方法等关键瓶颈技术难题。关于低成本聚羧酸减水剂的研究进展，主要体现在使用生物质基可再生原料作为降低聚羧酸减水剂的主要方法，目前报道的主要由纤维素、半纤维素、淀粉、单多糖等改性后在减水剂中的应用，对其改性方法主要有磺化、酯化、醚化、酰胺化等。农作物秸秆是未能充分利用的廉价生物质原料，包括小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在收获籽实后的剩余部分。我国是农业大国，每年产农作物秸秆7亿多吨，大部分仍被焚烧处理，造成资源浪费和环境污染。国际上已将农作物秸秆利用作为21世纪发展可再生能源资源的战略性产业，农作物秸秆的资源化利用主要侧重于化工和建筑材料的开发。目前农作物秸秆作为建筑材料应用研究是一个热点，如。但直接作为减水剂的原料的研究很少。秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素等生物基大分子，分子中含有醚基、碳-碳双键、丙烯醇羟基、酚羟基、羰基、甲氧基、羧基、苯环等多种官能团和化学键，可进行醚化、酯化、磺化、酰胺化等接枝共聚和交联共聚反应，所得产品具有特殊性能。目前，直接把生物质秸秆用于减水剂的研究报道很少，大多是从秸秆中提取分离出纤维素、木质素，或用秸秆生产造纸、乙醇所得黑液废水为原料，用于减水剂的改性研究或与聚羧酸减水剂复配研究。木质素改性减水剂的研究，中国专利CN101337789A“麦草碱木素缩合改性制备减水剂的方法”，将麦草碱木素加入到4.4～5.5倍重量的水中溶解，加入麦草碱木素重量0.6～0.9％的硫酸铜，用烧碱溶液调节pH值为10～11，再加入麦草碱木素重量45～55％的无水亚硫酸钠，升温至88～92℃，反应4～5h，制得磺化产品，其和定量的甲醛在pH值为11.6～12.0、65～75℃条件下，进行缩合反应，制得减水剂。该方法制得的减水剂减水率低，只能作为最普通的减水剂使用。中国专利CN101759856B“木质素磺酸钠减水剂的制备方法”，以玉米芯、玉米芯酸解渣、甘蔗渣或玉米秸秆经过碱煮产生的黑液为原料，经过粗过滤、超滤膜浓缩、磺化和喷雾干燥，制备出低含水量的木质素磺酸钠减水剂，该工艺对环境没有污染、工序简单、成本低廉，但秸秆原料不能充分利用，浪费严重。中国专利CN106698993A“一种聚羧酸减水剂”，利用废料白泥调浆、加热，再与玉米秸秆混均，再加入十二烷基硫酸钠，搅拌后干燥挤压成块，酸浸得到水解液，利用CaO将秸秆水解液调到pH值为6.0～7.0，得到的水解液经干燥、氧化、磺化后，加入到聚羧酸减水剂中，搅拌均匀后用超声波处理1～2h，得到改性的聚羧酸系减水剂。该方法主要优势是将造纸废液用于制备聚羧酸减水剂，能够很好地变废为宝，利用其中的强碱对玉米秸秆进行前处理，使得其能够更好地浸酸进行水解。其实质是利用秸秆中的木质素磺化与减水剂复配。中国专利CN102936110A“一种木质素磺酸盐-聚羧酸共聚复合高性能减水剂及制备方法”，以木质素磺酸盐、甲基烯丙基聚氧乙烯醚和丙烯酸在过硫酸铵的作用下直接合成，氢氧化钠中和而得。其实质是木质素磺酸盐改性聚羧酸减水剂。直接把生物质秸秆用于减水剂的研究，目前主要有两篇报道：中国专利CN106279574A“一种利用秸秆改性的聚羧酸减水剂及其制备方法”，第一步，秸秆预处理：将秸秆粉碎后，加入稀酸，搅拌混合均匀后浸泡18-36h，过滤并用清水冲洗秸秆至中性；第二步，制备利用秸秆改性的聚羧酸减水剂：将甲代烯丙基聚氧乙烯基-1000、甲代烯丙基聚氧乙烯基-2400、马来酸酐、丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸钠和秸秆加入四回流装置和恒压滴液漏斗，恒压滴液漏斗内加入过硫酸铵，开始滴加引发剂过硫酸铵，滴加速度为2-4滴/s，滴加完毕后保温4-5h；降温至35-45℃，调节pH至6.8-7.2，即可得到利用秸秆改性的聚羧酸减水剂。中国专利CN105713164B“一种利用秸秆制备的脂肪族减水剂及其制备方法”，通过秸秆酸洗、秸秆改性脂肪族减水剂等步骤制备而成。具体为：秸秆进行预处理，将玉米秸秆或小麦秸秆粉碎后，加入稀酸，搅拌混合均匀后浸泡18～36h，过滤并用清水冲洗秸秆至中性；在反应釜中加入水，然后加入亚硫酸钠，溶解；在溶解后的亚硫酸钠溶液中加入丙酮，磺化8～12min；然后加入预处理后的秸秆，搅拌反应20～40min；向溶液中加入甲醛，90～95℃下再反应1～2h，制备秸秆改性脂肪族减水剂。该技术对秸秆废弃物资源进行了有效利用，改善了现有的脂肪族减水剂缓凝效果差的缺点，提高了脂肪族减水剂的应用范围，降低了生产成本。但这两项研究结果只是实验室的小试摇瓶试验，一是对秸秆的粉碎没有提出细碎的程度和方法，只是说秸秆粉碎，二是秸秆水解采用常规的稀盐酸或稀硫酸水解，会带入过量的氯离子和硫酸根离子，影响减水剂性能，三是没有提出工业化试验的设想与构思，距离产业化生产装置和生产系统还有很大的距离。农作物秸秆直接改性制备减水剂，对秸秆原料的预处理方法、改性方法及其相应设备装置要求也很高，直接影响后续所制备的秸秆基减水剂性能，这也是秸秆减水剂产业化生产必须考虑的关键问题，否则起不到新型减水剂的开发利用价值。然而利用农作物秸秆来直接制备减水剂的秸秆原料的微碎、水解预处理方法和磺化等改性专用设备装置，尚未见到这方面的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂制备方法及装置，通过对农作物秸秆原料的预处理和磺化-羟甲基化改性，制备出可直接用于减水率10～15％的生物质减水剂，进一步推动低成本的秸秆基生物质混凝土减水剂产业化进程，为农作物秸秆的回收利用提供新的可能，符合国家生物质资源的发展战略，本专利技术则可填补这方面
的空白。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供的秸秆基减水剂的制备方法包括秸秆原料预处理和磺化-羟甲基化改性两部分，秸秆原料预处理方法包括秸秆原料初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎和水解过程，磺化-羟甲基化改性方法由物料经过氧化断链、磺化改性、碱化和羟甲基化改性程序组成；1、秸秆原料预处理：1.1一定量的原料秸秆捆经自然风干，经初碎装置粉碎成1～3cm的秸秆段；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法，其特征在于该制备方法包括秸秆原料预处理和磺化-羟甲基化改性两部分，秸秆原料预处理方法包括秸秆原料初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎和水解过程，磺化-羟甲基化改性方法由物料经过氧化断链、磺化改性、碱化和羟甲基化改性程序组成：/n1）秸秆原料预处理：/n1.1 一定量的原料秸秆捆经自然风干，经初碎装置粉碎成1～3cm的秸秆段；/n1.2 初碎的秸秆段经清洗装置清洗、除去流沙等杂质；/n1.3 经预烘干装置和螺旋干燥器组成的烘干装置进一步烘干，使秸秆的含水率在质量百分比的10％以下；/n1.4 烘干后的秸秆段通过二次粉碎装置粉碎成1～10mm的秸秆段；/n1.5 二次粉碎后的秸秆段经过卧式球磨机微碎装置进行球磨细碎，出料粒度在400μm以下，停止球磨；/n1.6 秸秆粉料的水解处理：/n1.6.1 上述1.5节获得的秸秆粉料，通过1#集料仓称取一定量，送入螺旋挤出水解机中进行水解；/n1.6.2 水解过程中，首先开启加热器，使热水通过盘管换热器加热机身，然后加入配料；/n1.6.3 物料在进入螺旋挤出水解机中，然后控制流量把配料储罐组中1#、2#和3#配液同时缓慢加入到螺旋挤出水解机中，保温水解后放料。/n2）秸秆磺化-羟甲基化改性方法/n2.1 水解预处理制得的秸秆物料，通过1#集料仓称重装置称取一定量，送入1#、2#、3#、4#螺旋挤出机串联组成的反应机组，进行氧化、磺化-羟甲基化改性反应；/n2.2 改性反应过程中，首先开启加热器加热机身，使物料加热至70℃左右，然后依次加入配液；/n2.3 物料进入1#螺旋挤出机，开启配料储罐组的控制阀，缓慢把其中的氧化剂加入1#螺旋挤出机，保温混合物料，进行秸秆本质纤维素的氧化断链反应，一定时间后放料进入2#螺旋挤出机；/n2.4 开启新一轮的秸秆物料进入1#螺旋挤出机，重复2.3节操作进行氧化断链反应；/n2.5 1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机，加入2#配料储罐中的一定质量浓度的磺化剂，反应一定时间后放料进入3#螺旋挤出机；/n2.6 新一轮的1#螺旋挤出机放料进入2#螺旋挤出机，重复2.5节程序进行磺化改性反应；/n2.7 2#螺旋挤出机放料进入3#螺旋挤出机，加入3#配料储罐中的一定浓度剂量的碱液，调节pH值8-9，反应一定时间后放料进入4#螺旋挤出机；/n2.8 新一轮2#螺旋挤出机放料进入3#螺旋挤出机，重复2.7节程序，加碱调节pH值8-9；/n2.9 3#螺旋挤出机放料进入4#螺旋挤出机，加入4#配料储罐中一定质量浓度和剂量羟甲基化试剂，保温反应一定时间后放料，通过2#集料仓称重装置称重后进入带推车的储料罐中达到规定重量后运走，下一个带推车的储料罐进入工作；/n2.10 新一轮3#螺旋挤出机放料进入4#螺旋挤出机，重复2.9节程序进行羟甲基化改性反应。/n...

【技术特征摘要】
1.磺化-羟甲基化改性的秸秆基减水剂的制备方法，其特征在于该制备方法包括秸秆原料预处理和磺化-羟甲基化改性两部分，秸秆原料预处理方法包括秸秆原料初碎、清洗、干燥、二次粉碎、微碎和水解过程，磺化-羟甲基化改性方法由物料经过氧化断链、磺化改性、碱化和羟甲基化改性程序组成：
1）秸秆原料预处理：
1.1一定量的原料秸秆捆经自然风干，经初碎装置粉碎成1～3cm的秸秆段；
1.2初碎的秸秆段经清洗装置清洗、除去流沙等杂质；
1.3经预烘干装置和螺旋干燥器组成的烘干装置进一步烘干，使秸秆的含水率在质量百分比的10％以下；
1.4烘干后的秸秆段通过二次粉碎装置粉碎成1～10mm的秸秆段；
1.5二次粉碎后的秸秆段经过卧式球磨机微碎装置进行球磨细碎，出料粒度在400μm以下，停止球磨；
1.6秸秆粉料的水解处理：
1.6.1上述1.5节获得的秸秆粉料，通过1#集料仓称取一定量，送入螺旋挤出水解机中进行水解；
1.6.2水解过程中，首先开启加热器，使热水通过盘管换热器加热机身，然后加入配料；
1.6.3物料在进入螺旋挤出水解机中，然后控制流量把配料储罐组中1#、2#和3#配液同时缓慢加入到螺旋挤出水解机中，保温水解后放料。
2）秸秆磺化-羟甲基化改性方法
2.1水解预处理制得的秸秆物料，通过1#集料仓称重装置称取一定量，送入1#、2#、3#、4#螺旋挤出机串联组成的反应机组，进行氧化、磺化-羟甲基化改性反应；
2.2改性反应过程中，首先开启加热器加热机身，使物料加热至70℃左右，然后依次加入配液；
2.3物料进入1#螺旋挤出机，开启配料储罐组的控制阀，缓慢把其中的氧化剂加入1#螺旋挤出机，保温混合物料，进行秸秆本质纤维素的氧化断链反应，一定时间后放料进入2#螺旋挤出机；
2.4开启新一轮的秸秆物料进入1#螺旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：章德玉，张惠琴，刘流，王鹏，刘岿，司长代，张建斌，唐慧安，左国防，王小芳，刘新文，雷新有，吕玲玲，李志锋，郭峰，
申请(专利权)人：天水师范学院，
类型：发明
国别省市：甘肃;62