CN103922831B - 一种生物炭肥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物炭肥及制备方法，属于生物质资源回收利用领域，由下述重量份的原料组成：小麦秸秆60-80份、人畜粪便20-30份、添加15-25份，其中，所述添加剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.2-8.6，然后过滤，冷冻干燥得到的物质；本发明的生物炭的微孔大幅增加从而使生物炭的比表面积大幅增大，从而可以更好地增加土壤有机质、吸收重金属、改良土壤、增加肥力；本发明的生物炭富含多种营养元素，可以直接作为生物炭肥使用；配合本发明特有的裂解方法，还可以锁住小麦秸秆和人畜粪便中对作物有用的多种营养元素，保证其在裂解过程中减少流失甚至不流失，另外，对大量的小麦秸秆和人畜粪便进行了合理有效的回收利用，减少了大气污染和环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及生物质资源回收利用领域，尤其涉及一种生物炭肥及其制备方法。
背景技术
随不论是在粮食作物还是在经济作物的种植领域，长久以来就采用施肥的手段来提高作物产量和质量。从最早的施用农家有机肥到施用无机肥，再到施用有机无机复混肥。施肥种类、施肥量及配比等对粮食作物或经济作物产量和质量都有很大的影响。传统的肥料尤其是有机无机复混肥虽然在提高作物产量方面起到了不错的效果。但是，传统的肥料存在成分和养分配比不合理，几乎不能恢复土壤肥力、改善土壤结构，甚至还会产生副作用，造成土壤板结等。
生物炭（biochar）是生物质在缺氧或厌氧条件下经碳化热裂解所得的一类具有高度芳香化物质。生物炭一般具有疏松微孔的结构，所以目前生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体在作物种植领域的应用越来越多。大量研究表明，生物炭的施用可提高土壤肥效，增加作物产量，施加生物炭可培肥土壤，提高土壤有机质（SOM），同时分解慢、能降低重金属和有机污染物生物有效性等作用。其多孔性促使生物炭吸附土壤有机质，催化活性小的有机分子聚合形成SOM，促进土壤团聚体的形成；另外，其生物稳定性可促进土壤腐殖质的形成，构筑土壤肥力，此外生物质碳可有效调节土壤 N、P、K 等营养元素的循环，提高土壤保水保肥能力。
目前生物炭的使用方法，一般是添加有机和/或无机肥料配合使用，一方面使用麻烦，成本较高，另一方面也会对生物炭的作用造成影响，使其不能充分发挥作用。另外，目前的生物炭由于其原料以及制备方法的原因，其微孔结构偏少、比表面积也偏小，而微孔结构和比表面积是决定其主要功能的因素之一；再者，由于其原料以及制备方法的原因，生物炭保留的营养元素包括微量元素较少，也是目前需要添加其他肥料的原因之一。
另外，在很多农村地区，小麦收割后留下大量的秸秆，由于农村燃料渐渐采用电和天然气替代，小麦秸秆没有很好的处理方法，很多地方采用直接焚烧的方式还田。但是，这种方式造成了大量的空气污染，产生大量的霾，一方面影响飞机等飞行器的飞行，另一方面对空气产生污染，尤其是城郊燃烧秸秆，会对城市空气造成很大影响。
发明内容
本发明的发明目的之一，在于针对上述存在的问题，提供一种具有高比表面积、不需要另外添加化肥的生物炭肥。
本发明采用的技术方案是这样的：一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 60-80份
人畜粪便 20-30份
添加剂 15-25份，其中，所述添加剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.2-8.6，然后过滤，冷冻干燥得到的物质。
上述原料中，小麦秸秆重量份数是指含水量在10%以下进行称量的份数，人畜粪便的重量份数是指含水量在20%以下进行称量的份数。
现有技术中，虽然有采用KOH作为添加剂的报道，也有采用KOH、K2CO3和K3PO4作为添加剂的报道，其目的都是为了增加生物炭的微孔数量从而增大比表面积，但是由于添加剂成分与比例的原因，增加的微孔数量有限。
而本发明的发明人通过大量实验，采用经过特殊方法处理过的草木灰作为添加剂，
该添加剂一方面可以大幅增加微孔从而增大比表面积，平均比表面积可以达到590m3·g-1以上，从而可以更好地增加土壤有机质、吸收重金属、改良土壤、增加肥力，另一方面可以增加营养元素N、P、K以及微量元素包括Ca、Mn、Mg、Fe、Zn、Cu等，，基本不用额外添加有机和/或无机化肥；更为重要的是，配合本发明特有的裂解方法，还可以锁住小麦秸秆和人畜粪便中对作物有用的营养元素包括微量元素，保证其在裂解过程中减少流失甚至不流失，从而更好地满足作物生长的需要。
作为优选的技术方案：一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 75份
人畜粪便 25份
添加剂 20份。
作为优选的技术方案：所述草木灰为乔木燃烧后得到的草木灰。乔木燃烧后的草木灰，杂质更少，也更利于营养成分的保留和对小麦秸秆、人畜粪便的营养成分的锁定。另外，很多工厂比如塑料厂作为燃料的乔木燃烧后产生大量的草木灰，可以对其进行充分回收利用。
作为优选的技术方案：过滤时采用0.45μm滤膜。采用较细的孔径，可以滤除绝大部分杂质，利于生物炭微孔的形成和营养元素的富集留存。
本发明的目的之二，在于提供一种上述生物炭肥的制备方法，采用的技术方案为：包括下述步骤：
（1）称量原料并混合：按照所述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在10%以下再按所述比例称量，人畜粪便的含水量控制在20%以下再按所述比例称量；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至250-260℃，保持该温度10-15min，然后在5min内升温至460-470℃，并保持该温度3-4h，然后在3min内急冷至150-180℃，保持该温度30-60min，自然冷却，即得产品。
本发明采用了特殊的三段式热裂解方法，可以更好地锁住小麦秸秆和人畜粪便中对作物有用的营养元素包括微量元素，保证这些元素在裂解过程中基本不流失。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：一方面，本发明的生物炭的微孔大幅增加从而使生物炭的比表面积大幅增大，平均比表面积可以达到590m3·g-1以上，从而可以更好地增加土壤有机质、吸收重金属、改良土壤、增加肥力；另一方面，本发明的生物炭富含营养元素N、P、K以及微量元素包括Ca、Mn、S、Fe、Zn、Cu等，从而可以基本不用额外添加有机和/或无机化肥，从而可以直接作为生物炭肥使用；更为重要的是，配合本发明特有的裂解方法，还可以锁住小麦秸秆和人畜粪便中对作物有用的营养元素包括微量元素，保证其在裂解过程中减少流失甚至不流失，减少了营养元素的损失，从而更好地满足作物生长的需要，另外，对大量的小麦秸秆和人畜粪便进行了合理有效的回收利用，大大减少了大气污染和环境污染。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 80份，含水量为8%（重量比）
人畜粪便 20份，含水量为16%（重量比）
添加剂 25份，其中，所述添加剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
制备方法：
包括下述步骤：
（1）称量原料并混合：按照所述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在8%，人畜粪便的含水量控制在16%；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至250℃，保持该温度10min，然后在5min内升温至470℃，并保持该温度3h，然后在3min内急冷至150℃，保持该温度30min，自然冷却，即得产品A。
所得产品A的比表面积为591m3·g-1，而公开号为CN103275778A的专利申请中，按照其“实施方式三”的方法制备得到的生物炭的比表面积为470 m3·g-1左右，所得产品A中的主要元素含量K为96.7 g/kg、N为65.5 g/kg、P为53.1 g/kg、Ca为26.3 g/kg、Mn为8.1 g/kg、Mg为10.2 g/kg、Fe为5.3 g/kg、Zn为6.5 g/kg、Cu为3.2 g/kg。
另外，按每亩施用200kg的量施用产品A 6个月后，土壤重金属含量减少57%，而与不施用该生物炭而使用普通复混肥比较，作物中的重金属还少36%，证明土壤中的重金属被吸附到生物炭中固化。
实施例2
一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 80份，含水量为7%（重量比）
人畜粪便 30份，含水量为17%（重量比）
添加剂 25份，其中，所述添加剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.6，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
制备方法：
包括下述步骤：
（1）称量原料并混合：按照所述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在7%，人畜粪便的含水量控制在17%；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至260℃，保持该温度10min，然后在5min内升温至460℃，并保持该温度4h，然后在3min内急冷至180℃，保持该温度60min，自然冷却，即得产品B。
所得产品B的比表面积为602m3·g-1，所得产品B中的主要元素含量K为93.7 g/kg、N为67.1 g/kg、P为49.3 g/kg、Ca为30.8 g/kg、Mn为7.9 g/kg、Mg为11.2 g/kg、Fe为4.9 g/kg、Zn为6.5 g/kg、Cu为3.3 g/kg。
另外，按每亩施用200kg的量施用产品B 6个月后，土壤重金属含量减少58%，而与不施用该生物炭而使用普通复混肥比较，作物中的重金属还少36%，证明土壤中的重金属被吸附到生物炭中固化。
实施例3
一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 60份，含水量为6%（重量比）
人畜粪便 20份，含水量为15%（重量比）
添加剂 15份，其中，所述添加剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.5，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
制备方法：
包括下述步骤：
（1）称量原料并混合：按照所述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在6%，人畜粪便的含水量控制在15%；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至255℃，保持该温度12min，然后在5min内升温至465℃，并保持该温度4h，然后在3min内急冷至160℃，保持该温度50min，自然冷却，即得产品C。
所得产品C的比表面积为613m3·g-1，所得产品C中的主要元素含量K为101.1 g/kg、N为67.5 g/kg、P为55.2 g/kg、Ca为27.6 g/kg、Mn为8.3 g/kg、Mg为9.5 g/kg、Fe为5.6 g/kg、Zn为6.0 g/kg、Cu为3.7 g/kg。
另外，按每亩施用200kg的量施用产品C 6个月后，土壤重金属含量减少60%，而与不施用该生物炭而使用普通复混肥比较，作物中的重金属还少40%，证明土壤中的重金属被吸附到生物炭中固化。
实施例4
一种生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 75份，含水量为9%（重量比）
人畜粪便 25份，含水量为18%（重量比）
添加剂 20份，其中，所述添加剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节pH至8.5，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
制备方法：
包括下述步骤：
（1）称量原料并混合：按照所述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在9%，人畜粪便的含水量控制在18%；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至260℃，保持该温度12min，然后在5min内升温至466℃，并保持该温度3h，然后在3min内急冷至160℃，保持该温度40min，自然冷却，即得产品D。
所得产品D的比表面积为635m3·g-1，所得产品D中的主要元素含量K为98.7 g/kg、N为63.5 g/kg、P为58.6 g/kg、Ca为25.9 g/kg、Mn为8.5 g/kg、Mg为10.2 g/kg、Fe为5.1 g/kg、Zn为5.8 g/kg、Cu为2.3 g/kg。
另外，按每亩施用200kg的量施用产品D 6个月后，土壤重金属含量减少63%，而与不施用该生物炭而使用普通复混肥比较，作物中的重金属还少38%，证明土壤中的重金属被吸附到生物炭中固化。
Claims (4)
1.一种生物炭肥，其特征在于，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 60-80 份
人畜粪便 20-30 份
添加剂 15-25 份，其中，所述添加剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节pH 至
8.2-8.6，然后过滤，冷冻干燥得到的物质；
并按照下述方法制备而成：
（1）称量原料并混合：按照上述比例称量原料，并将所述原料混合均匀，得到混合料；其中，小麦秸秆的含水量控制在10% 以下再按所述比例称量，人畜粪便的含水量控制在20%以下再按所述比例称量；
（2）裂解：将所述混合料送入裂解设备中，升温至250-260℃，保持该温10-15min，然后在5min 内升温至460-470℃，并保持该温度3-4h，然后在3min 内急冷至150-180℃，保持该温度30-60min，自然冷却，即得产品。
2. 根据权利要求1 所述的生物炭肥，其特征在于，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆 75 份
人畜粪便 25 份
添加剂 20 份。
3. 根据权利要求1 所述的生物炭肥，其特征在于，所述草木灰为乔木燃烧后得到的草木灰。
4. 根据权利要求1 所述的生物炭肥，其特征在于，过滤时采用0.45μm 滤膜。
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