CN104030862B - 一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法，涉及一种生物炭制备方法，所述方法包括以下制备过程：牛粪的前处理：牛粪的收集、干燥，使得牛粪的含水率降低在10-20%；生物炭的制备：预热：让牛粪的含水率在5-8%左右；生物炭的裂解：在缺氧的条件下热解时间2-3h；最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用；生物炭的粉碎：将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物炭即可。本发明牛粪生物炭土壤改良剂的应用方法，以此拓展牛粪资源化利用途径，提高氮肥利用效率，减少氮肥淋失对环境污染。

Description

一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物炭制备方法，特别是涉及一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法。

背景技术

目前有关牛粪生物质资源利用的主要研究和应用方向是：利用牛粪生产有机肥、生产食用菌、牛粪掺牛尿制造沼气等。但这些牛粪资源化利用途径也有不足之处，一是对产生的牛粪量利用率有限、二是牛粪利用过程中产生的二次污染问题。据调查统计，目前仅有10%左右的牛粪被处理用作于农业肥料等方面使用，其余90%左右的牛粪处于堆积存放状态，堆积存放的牛粪不但给土壤、水、大气、人类健康带来了新的复合污染源，同时也增加了养殖户牛粪排污成本。因此扩展牛粪生物质再生资源化利用途径很有必要。

目前我国氮肥的使用量已居世界首位,但由于氮肥本身的易挥发、易淋洗的特性，再加上我国对氮肥的不合理使用，使我国氮肥的利用率远低于世界上其它发达国家^[5]。这不仅给我国农业生产方面造成了巨大的经济损失,而且带来了严重的环境污染。因此提高氮肥利用率,减少土壤氮素损失对我国社会和经济发展具有重要的现实意义。

因为淋洗作用是土壤氮肥最严重的损失途径之一，因此在提高氮肥利用率,减少土壤氮素损失研究中，抑制土壤氮肥淋失的研究成为了目前的热点研究之一。在抑制土壤氮肥淋失研究中，生物炭作为一类新型功能材料，以具有能抑制土壤氮肥淋失，且没有二次污染，成本较低，同时具有改良土壤等优点，近几年备受关注。

国内外科学家对生物炭在农业、环境等领域相关理论研究工作中已经取得了一些重要进展。尤其是英国、美国等科研机构和组织已开始深入、系统地进行了生物炭在土壤改良、吸附污染物这些方面的科学研究。

研究表明，生物炭具有高度的稳定性，较大的比表面积和微孔结构，表面官能团丰富。研究发现生物炭输入到土壤中，不仅可以改良土壤理化性质，如提高土壤pH值、增加土壤持水量、吸附N、P等营养物质。生物炭还可以吸附土壤中的NH4⁺-N，减少铵氮淋失，阻止土壤中硝态氮的生成和淋失。因此生物炭不仅被认为是一种良好的土壤改良剂，其还能抑制土壤中氮素的损失、起到保肥的作用。

目前对于应用生物炭进行土壤改良以及抑制土壤氮素淋失的研究和发明，大多以植物为原料制备生物炭研究的比较多，对于以畜粪便为原料制备生物炭的研究和发明应用到土壤改良中只有少量文献涉及。如唐华以牛粪为原材料制备生物炭，研究该生物炭对沼液养分淋溶的影响。但对于以牛粪为原材料制备生物炭抑制土壤氮素淋失这方面的相关研究，通过文献和专利的检索没有发现相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法，该方法以牛粪为主要原料，经热裂解得到的能抑制土壤中氮素淋失的牛粪生物炭，以此拓展牛粪资源化利用途径，提高氮肥利用效率，减少氮肥淋失对环境污染。

本发明另一目的在于提供一种牛粪生物炭土壤改良剂的应用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法，所述方法包括以下制备过程：1）牛粪的前处理：

（1）牛粪的收集：将新鲜牛粪清理出其中的石块等杂物。使得其中的杂物量小于5%；

（2）牛粪的干燥：将收集起来的牛粪加入1-2%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵；牛粪平铺在干净的硬质的平面上，厚度在10-15cm，在自然通风的条件下自然风干6-12天；使得牛粪的含水率降低在10-20%；

2）生物炭的制备：

（1）预热：将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在3-5cm；放入烘箱中于95-105℃烘干3-5h，让牛粪的含水率在5-8%左右；

（2）生物炭的裂解：将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门；打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为30℃—50℃/10min，达到热解温度为300℃-500℃时，在缺氧的条件下热解时间2-3h；最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用；

（3）生物炭的粉碎：将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物炭即可。

一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法，其所述方法制备的牛粪生物炭按1g牛粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤中进行施用即可。

本发明的优点与效果是：

本发明以牛粪为原材料料制备生物炭并确定其制备使用方法，通过电子显微镜扫描（SEM)、质谱（EDS）分析，对该条件下制备的牛粪生物炭与牛粪的结构和元素组成进行了对比，证明牛粪生物炭热裂解条件下发育出越来越多的孔洞结构，空隙结构增加，牛粪生物炭中K，Ca碱性物质含量也增加了231.2%和11.0%左右。对牛粪生物炭进行土壤柱模拟试验，证明加入牛粪生物炭的土壤与不加入牛粪生物炭的土壤相比，硝态氮的阻止率增加了40%左右、总氮的阻止率增加了37%左右。这与文献中报道的以植物为原料制备生物炭的性能和抑制土壤氮肥淋湿的效果相当。

因此牛粪生物炭应用于农业生产中，即解决了鲜牛粪利用的难题，能够变废为宝，扩展牛粪生物质资源利用途径，产生良好的经济效益。又能改良土壤，提高氮肥的利用效率，减轻氮肥利用对环境污染问题，保护环境促进生态平衡。

附图说明

图1为本发明牛粪的SEM结构扫描照片图；

图2为本发明牛粪生物炭的SEM结构扫描照片图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

1.牛粪的前处理：

1.1牛粪的收集

将新鲜牛粪清理出其中的石块等杂物。使得其中的杂物量小于5%。

1.2.牛粪的干燥

将收集起来的牛粪加入1%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵。牛粪平铺在干净的硬质的水泥板面上，厚度在10cm，在自然通风的条件下自然风干6天。使得牛粪的含水率降低在20%以下。

2.生物炭的制备

2.1预热

将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在3cm。放入烘箱中于95℃烘干5h，让牛粪的含水率在8%以下。

2.2生物炭的裂解

将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门。打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为30℃/10min，热解温度为300℃，在缺氧的条件下热解时间3h。最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用。

2.3生物炭的粉碎

将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物。

本发明的牛粪生物炭即由上述方法制备得到。

将上述方法制备的牛粪生物炭按1g牛粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤使用即可。

通过土壤柱模拟试验验证抑制土壤氮肥淋失的效果为：实验测定的硝态氮的阻止率与空白相比增加了41.10%，总氮的阻止率与空白相比增加了38.37%。

实施例二

1.牛粪的前处理：

1.1牛粪的收集

将新鲜牛粪清理出其中的石块等杂物。使得其中的杂物量小于5%。

1.2.牛粪的干燥

将收集起来的牛粪加入1.5%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵。牛粪平铺在干净的硬质的水泥板面上，厚度在12cm，在自然通风的条件下自然风干9天。使得牛粪的含水率降低在20%以下。

2.生物炭的制备

2.1预热

将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在4cm。放入烘箱中于100℃烘干4h，让牛粪的含水率在8%以下。

2.2生物炭的裂解

将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门。打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为40℃/10min，热解温度为400℃，在缺氧的条件下热解时间2.5h。最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用。

2.3生物炭的粉碎

将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物。

本发明的牛粪生物炭即由上述方法制备得到。

将上述方法制备的牛粪生物炭按1g牛粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤中使用即可。

通过土壤柱模拟试验验证抑制土壤氮肥淋失的效果为：实验测定的硝态氮的阻止率与空白相比增加了39.40%，总氮的阻止率与空白相比增加了36.18%。

实施例三

1.牛粪的前处理：

1.1牛粪的收集

将新鲜牛粪清理出其中的石块等杂物。使得其中的杂物量小于5%。

1.2.牛粪的干燥

将收集起来的牛粪加入2%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵。牛粪平铺在干净的硬质的水泥板面上，厚度在15cm，在自然通风的条件下自然风干12天。使得牛粪的含水率降低在20%以下。

2.生物炭的制备

2.1预热

将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在5cm。放入烘箱中于105℃烘干3h，让牛粪的含水率在8%以下。

2.2生物炭的裂解

将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门。打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为50℃/10min，热解温度为500℃，在缺氧的条件下热解时间2h。最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用。

2.3生物炭的粉碎

将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物。

本发明的牛粪生物炭即由上述方法制备得到。

将上述方法制备的牛粪生物炭按1g牛粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤中使用即可。

通过土壤柱模拟试验验证抑制土壤氮肥淋失的效果为：实验测定的硝态氮的阻止率与空白相比增加了38.89%，总氮的阻止率与空白相比增加了35.36%。

通过土壤柱模拟试验验证抑制土壤氮肥淋失的效果为：实验测定的硝态氮的阻止率与空白相比增加了40%左右，总氮的阻止率与空白相比增加了37%左右。

为了说明本发明牛粪生物炭的性状，对该条件下制备的牛粪生物炭与牛粪性状进行对比分析。

通过质谱（EDS）分析，该条件下制备的牛粪生物炭与牛粪进行了元素组成对比，表明牛粪生物炭的C元素含量减少14.1%，而氧元素、钾元素、和钙元素、含量增加了38.4%、231.2%和11.0%。

电子显微镜（SEM）放大1000倍下扫描对比牛粪生物炭结构和牛粪结构（见附图1、2），牛粪生物炭的管状结构很发达，在热裂解条件下发育出越来越多的孔洞结构。而牛粪的管状结构较少，并且管状结构被其他物质堵塞，孔洞较少。

Claims (2)

1.一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：

1）牛粪的前处理：

（1）牛粪的收集：将新鲜牛粪清理出其中的杂物，使得其中的杂物量小于5%；

（2）牛粪的干燥：将收集起来的牛粪加入1-2%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵；牛粪平铺在干净的硬质的平面上，厚度在10-15cm，在自然通风的条件下自然风干6-12天；使得牛粪的含水率降低在10-20%；

2）生物炭的制备：

（1）预热：将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在3-5cm；放入烘箱中于95-105℃烘干3-5h，让牛粪的含水率在5-8%；

（2）生物炭的裂解：将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门；打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为30℃—50℃/10min，达到热解温度为300℃-500℃时，在缺氧的条件下热解时间2-3h；最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用；

（3）生物炭的粉碎：将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物炭即可。

2.一种抑制氮肥淋失的牛粪生物炭的施用方法，其特征在于，按1g牛粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤中进行施用即可，所述牛粪生物炭的制备方法包括以下步骤：

1）牛粪的前处理：

（1）牛粪的收集：将新鲜牛粪清理出其中的杂物，使得其中的杂物量小于5%；

（2）牛粪的干燥：将收集起来的牛粪加入1-2%的生石灰充分混合，让牛粪不会厌氧发酵；牛粪平铺在干净的硬质的平面上，厚度在10-15cm，在自然通风的条件下自然风干6-12天；使得牛粪的含水率降低在10-20%；

2）生物炭的制备：

（1）预热：将上述干燥处理后的牛粪平铺于托盘中，厚度在3-5cm；放入烘箱中于95-105℃烘干3-5h，让牛粪的含水率在5-8%；

（2）生物炭的裂解：将上述预热处理后的牛粪装入坩埚类器皿后，放入马弗炉中，然后关紧马弗炉门；打开马弗炉的电源控制开关，控制升温速率为30℃—50℃/10min，达到热解温度为300℃-500℃时，在缺氧的条件下热解时间2-3h；最后关闭马弗炉电源控制开关，关闭马弗炉门情况下冷却至80℃以下，将坩埚类器皿从马弗炉中拿出放入干燥器内冷却备用；

（3）生物炭的粉碎：将上述裂解制备的牛粪生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取20-40目的牛粪生物炭即可。