CN103842314A - 使用生物炭促进土壤生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种用于提供来自生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。

Description

使用生物炭促进土壤生长的方法
技术领域
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。
相关技术描述
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 ofGeophysical Research Biogeosciences113(2008)G020227。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。
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 andleaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the CentralAmazon basin:fertilizer,manure and charcoal amendments.Plant Soil249(2003)343-357。还参见，Tryon EH.Effect of charcoal 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。
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，Preston C.M.和Schmidt M.W.I.Black(pyrogenic)carbon:A synthesis of current knowledge and uncertainties withspecial 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。
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。
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。
本发明实施方案的简要概述
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 BiomassFractioning 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。
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)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 CarbonSequestration”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。
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。
本发明的另外的实施方案涉及一种用于处理BMF炭以使其容易用于土壤改良的方法。
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。
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；以及(vii)将BMF炭添加到土壤中。
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。
在一些实施方案中，温度斜升包括在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。
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、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(phylaGlomeromycota)的成员并且BMF炭含有球囊霉素结构。
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。
附图简述
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。
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。
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。
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以及在此时间间隔期间的砧位置的实例的图。
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。
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。
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。
图7a是BMF炭的SEM图，而图7b是由商业堆肥茶混合物定居的BMF炭的SEM图。
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。
本发明实施方案的详述
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。
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。
生物炭产生
生物炭产生的基本原理(过程600)公开在名称为“Method for BiomassFractioning 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，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。
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：(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，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。
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。
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。
参考图2b，通过加热剂如在处理站58处的金属砧使研磨的生物质首先经受加热曲线ΔT1(通常是线性温度斜升)。在一些情况下，此第一ΔT1曲线的目的是使生物质脱水。随后的ΔTn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ΔPn，所述压力曲线ΔPn包括利用碳的固有压缩特征的一系列压力波。
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，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。
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，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。
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。
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。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 Physics15(1944)452-454和第5版Encyclopedia 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。
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(carbonamplifier)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)。
表1.选择以W/(m·K)计的热导率
Figure BDA0000462515250000091
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。
多种压力曲线ΔPn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。
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。
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。
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。
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：
表2.脱挥发的化合物的分布
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。
BMF炭活化
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 of ChemicalTechnology 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。
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。活化程序可产生超过500m2/g的表面积。
表3：活化剂对BMF炭的作用
Figure BDA0000462515250000121
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
Figure BDA0000462515250000123
的平均孔尺寸。
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。
除去烃类
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。
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。
从炭孔隙中除去吸附的气体
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“浸润步骤”。
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、真空以及冲击除去空气。
添加有利的微生物
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
Figure BDA0000462515250000131
(Malibu Compost Inc,Santa Monica,California)、Nature’s Solution Compost
Figure BDA0000462515250000132
(Nature’s Technologies International LLC,Novato,California)或者
Figure BDA0000462515250000133
(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。
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。
调节土壤pH
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需要考虑到它对土壤酸度的作用。根据生物炭的生物质来源，生物炭对土壤pH的作用可以不同。例如，玉米芯的分解在生物炭残渣中留下大量的K2O，其易于为生物炭提供碱性。将这种碱性生物炭添加到已经是碱性的土壤中对于土壤是有害的。亚马逊印第安人已在制备亚马逊黑土土壤中不经意地实践了pH管理。其它物质一直与木炭一起存在于亚马逊黑土土壤中，如骨头、火烧过的粘土钻以及木灰。这些物质缓冲了酸性的砖红土壤。所述骨头和木灰平衡了酸性粘质土壤的pH。
可以若干方式管理土壤pH，所述方式包括：(i)在添加BMF炭之后通过将pH调节化合物直接添加到土壤中来改变土壤pH；(ii)将可以改变BMF炭pH的添加剂添加到BMF炭中；以及(iii)将BMF炭直接添加到土壤中并允许其持续延长的时间段自我中和。
第一种方法利用了应用于土壤的已熟知的pH调节反应剂。适用于酸性生物炭的中和化合物可包括选自下组的阴离子：碳酸氢根、碳酸根、氢氧根、胺、硝酸根、卤化物、磺酸根、磷酸根以及羧酸根。这些化合物可包含聚合物内的一个或多个官能团以及氧化物如氧化钙和氧化镁，它们在暴露于空气时产生碱性化合物。适用于碱性生物炭的中和化合物可包括无机酸如HCl、H3PO4和H2SO4以及有机酸如腐殖酸、香草酸和阿魏酸。可以任选使用一种分散剂。
关于第二种方法，可以将第一种方法中列出的任何化合物应用于BMF炭。另外，通过使用含有酸性成分如糖蜜、植物汁或藻类提取物的细菌堆肥茶(参见下文)浸渍BMF炭可以制备更小碱性的BMF炭。通过添加碱性剂如石灰、骨头、碳酸钾或氢氧化钾可以制备更大碱性的生物炭。还可以添加缓冲剂。第三种方法仅要求长期暴露于大气中以经由形成碳酸来中和。
混合土壤和生物炭
存在用于将BMF炭应用于土壤中的多种不同的技术。经由将BMF炭整合到传统农业机械中(如使用肥料或石灰撒布机)连同利用旋转锄、圆盘耙、凿子等的翻耕方法可以实现将BMF炭掺入到土壤中。还可以使用允许使用BMF炭而没有显著干扰下层土壤的区间划分方法(Banding method)。BMF炭可以固体形式与肥料、堆肥或石灰一起混合或者与水或液体肥料一起混合并以浆料形式应用。它还可以与表层土混合或者直接应用到其中树根将延伸的区域内。
说明性实施例1：炭浓度的作用
图6a示出了在含有不同浓度的经由上述方法制成亲水性的蒸汽活化的玉米炭的土壤中种植的黑籽辛普森(Black Seed Simpson)莴苣。所述玉米炭具有760m2/g的BET表面积(在图5b中描绘)。显示的数据是种植后8天的情况。经由苏打水将炭pH调节至8.2。从左到右，图6a示出了来自在含有100%沙土、10%炭和90%沙土、20%炭和80%沙土、30%炭和70%沙土以及40%炭和60%沙土(按体积计)的土壤中的莴苣生长的数据。在使用之前用
Figure BDA0000462515250000151
营养物洗涤所述炭。在此情况下显示含有甚至30%炭的土壤允许莴苣生长；然而，40%和50%炭的土壤明显抑制土壤生长。
说明性实施例2：营养物洗涤的作用
图6b和图6c证明了营养物添加对在含有不同炭浓度的土壤中生长的黑籽辛普森植物的生长作用。所述炭来源于经由驱逐烃和除去吸附的气体而制成亲水性的未活化木片。当浸润时所述炭呈现大约9的pH。具体地说，图6b示出了全部不含有外部营养物添加的九种种植。除中间含有100%沙土的盆栽之外，第一排示出了使用含有按体积计10%炭和90%沙土的土壤的实验。在左侧的所有盆栽经受硝酸的pH调节，以将pH调节至接近中性。右侧的所有盆栽经受缓冲的苏打水的pH调节以使pH调节至大约8。第二排示出了两个盆栽，二者都包含含有按体积计20%炭和80%沙土的土壤。第三排示出了使用30%炭和70%沙土的盆栽并且第四排示出了使用40%炭和60%沙土的盆栽。很明显甚至对于含有最高浓度炭的土壤也出现植物生长，并且对于两种类型的pH调节这种生长是相似的。图6c相似地证明了处理的土壤和pH调节，除对所有样本添加可商购的植物营养物之外。观察到，对于所有的土壤组合物再次出现土壤生长并且所述生长由于添加的营养物而被促进。
说明性实施例3：将微生物引入到生物炭中
在两加仑的塑料容器中，注入5升蒸馏水并在多孔石存在下使用电动机充气1小时。随后添加6ml蜜糖(Grandma’s
Figure BDA0000462515250000161
B&G Foods,Inc.)和含有以下真菌和细菌的混合物的4克堆肥成分(
Figure BDA0000462515250000162
Fungi PerfectiInc.)。
内生菌根真菌(Endomycorrhizal fungi)：根内球囊霉(Glomusintraradices)、摩西球囊霉(Glomus mosseae)、聚丛球囊霉(Glomusaggregatum)、明球囊霉(Glomus clarum)、沙漠球囊霉(Glomus deserticola)、幼套球囊霉(Glomus etunicatum)、珍珠巨孢囊霉(Gigaspora margarita)、巴西类巨孢囊霉(Gigaspora brasilianum)、单孢巨孢囊霉(Gigaspora monosporum)。
外生菌根真菌(Ectomycorrhizal fungi)：Rhizopogon villosullus、浅黄根须腹菌(Rhizopogon luteolus)、Rhizopogon amylopogon、Rhizopogon fulvigleba、彩色豆马勃(Pisolithus tinctorius)、双色蜡蘑(Laccaria bicolor)、红蜡蘑(Laccaria laccata)、光硬皮马勃(Scleroderma cepa)、黄硬皮马勃(Sclerodermacitrinum)、点柄粘盖牛肝菌(Suillus granulatas)、板柄乳牛肝菌(Suilluspunctatapies)。
木霉真菌(Trichoderma fungi)：哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、康宁木霉(Trichoderma konigii)
细菌：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtillus)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、产氮芽孢杆菌(Bacillus azotoformans)、巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)、凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、短小芽孢杆菌(Bacilluspumlis)、苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermiphilis)、多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)、耐受类芽孢杆菌(Paenibacillus durum)、花期类芽孢杆菌(Paenibacillus florescence)、戈登氏类芽胞杆菌(Paenibacillus gordonae)、多粘菌属固氮菌(Azotobacterpolymyxa)、圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)、酿酒酵母(Sacchromycescervisiae)、灰色链霉菌(Streptomyces griseues)、利迪链霉菌(Streptomyceslydicus)、致黄假单胞菌(Pseudomonas aureofaceans)、红粘液异常球菌（Deinococcus erythromyxa）。
BMF炭使用生物质分馏系统来产生并且经由本发明的方法制成亲水性。在户外将BMF炭用以上堆肥混合物饱和3天。观察到大于50%的干BMF炭重量的吸收。来源于玉米的BMF炭的定植显示在图7b所示出的SEM显微照片中。在显微照片中各种微生物是明显的。在图7a中示出了来自相似来源但没有暴露于微生物的BMF炭的比较。
本领域技术人员可以做出修改而不影响本发明的范围。
尽管上文根据各种示例性实施方案和实现方式描述了本发明，但是应理解，在一个或多个个别实施方案中描述的各种特征、方面以及功能不限于其对所描述的具体实施方案的适用性，相反可以单独或者以各种组合应用于本发明的一个或多个其它实施方案中，不论是否描述这些实施方案或者作为所描述的实施方案的一部分呈现这些特征。因此，本发明的宽度和范围不应由任何上述示例性实施方案所限制。
除非另外明确说明，否则本文件中使用的术语和短语及其变化应被理解为开放性的而不是限制性的。作为上述的实例：术语“包括”应解读为意指“包括但不限于”或者类似意思；术语“实例”用于提供讨论的项目的示例性例子，而不是其详尽或限制性例子；术语“一个”或“一种”应解读为意指“至少一种”、“一种或多种”或类似意思；并且形容词如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”以及类似意思的术语不应被理解为限制描述成给定时间段的项目或者可用作给定时间的项目，相反应解读为涵盖现在或将来的任何时间可以是可用的或已知的常规、传统、正常或标准技术。同样地，在本文件中的技术是指对本领域普通技术人员而言清楚的或已知的技术，这些技术涵盖现在或将来的任何时候对技术人员而言清楚的或已知的技术。
在一些情况下扩展单词和短语如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其它类似短语不应被解读为意指在其中可以缺乏这些扩展短语的情况下预期或需要的更窄情况。另外，本文陈述的不同实施方案根据示例性框图、流程图以及其它说明进行描述。如在阅读本文件之后本领域普通技术人员将清楚，可以实现说明性实施方案和它们的各种替代方案而不限制说明性实例。这些说明及其所附描述不应被理解为要求特定的结构或构造。

Claims (20)

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。
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.如权利要求17所述的方法，其中真菌选自球囊菌门的成员。
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。
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