CN106118664B - 一种生物炭基组合物的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤治理领域，尤其涉及一种生物炭基组合物的制备方法及其应用。本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法，为：步骤一、农林废弃物热解炭化后冷却至室温，活化后粉碎，制得第一产物；步骤二、碱性调节剂干燥后粉碎，制得第二产物；步骤三、所述第一产物和第二产物混合，干燥后粉碎，得产品。本发明还提供了上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案，可有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，提高土壤所种植农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。同时，本发明还具有成本低廉、方便易得以及不会造成二次污染的优点。

Description

一种生物炭基组合物的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于土壤治理领域，尤其涉及一种生物炭基组合物的制备方法及其应用。

背景技术

随着工业化、城市化和集约化农业的高速发展，我国土壤环境污染问题日趋严重，其中以重金属和有机污染物两类为典型代表。2014年《全国土壤污染状况调查公报》透露，我国土壤环境令人堪忧，表现为耕地土壤环境质量降低并有减少趋势，工矿业废弃地土壤污染严重。全国土壤总的超标率为16.1％，南方土壤特别是珠三角地区土壤污染尤为突出。珠江三角洲部分城市采样点中，有近40％的农田菜地土壤重金属污染超标，其中10％属严重超标，这已引起政府的高度重视，土壤污染的防治也成为两会的热门话题，环保部对土壤环境的修复正在起草相关治理方案，有望近期出台，这对从事环境污染的科研工作者或者环保企业来说，既是机遇又是挑战。另外，广东省人均耕地0.4亩，土壤酸化严重、肥力下降、养分利用率低和面源污染等多种问题已对我省农产品安全供应构成重大威胁。保障农产品安全供应，土壤改良势在必行，故广东省未来对土壤调理剂的需求市场潜力巨大。

土壤改良剂的研究和使用距今已有一个多世纪。先前的应用大多针对土壤的不良性状和障碍因素，采取相应的物理或化学措施来改善土壤的性状和肥力，增加作物产量。后来人们越来越关注环境问题后，土壤改良剂也逐渐被用于改善人类生存土壤环境的过程。一般根据污染场地的自然条件，因地制宜地制定切实可行的规划，逐步实施，最终达到有效地改善土壤生产性状和环境条件的目的。目前我国市场上生产和使用的土壤改良剂按照其主体成分来源可以分为：(1)人工合成土壤改良剂：主要有高分子聚合物聚丙烯酰胺和生物制剂；(2)天然土壤改良剂：如膨润土、蒙脱石和天然石膏等；(3)工业、农业固体废弃物：主要是碱渣、菇渣和磷石膏。这些产品主要针对改良酸性土壤或者盐碱土，增强干旱地持水功能，改良菜地盐渍化等，功能较为单一。近年来针对土壤重金属和有机污染物污染严重的环境问题，也有使用土壤改良剂来修复受污染土壤的成功案例。土壤改良剂向多功能性和环保型方向发展，利用生物质材料、农林废弃物和工业副产物产品作为土壤改良剂的原料来源，开发具有保水保肥、改善土壤性状、促进农作物增产等多功能、长效的产品是目前土壤改良剂研究的热点。

因此，研发出一种生物炭基组合物的制备方法及其应用，用于解决现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法及其应用，用于解决现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。

本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法，所述制备方法为：步骤一、农林废弃物热解炭化后冷却至室温，活化后粉碎，制得第一产物；步骤二、碱性调节剂干燥后粉碎，制得第二产物；步骤三、所述第一产物和第二产物混合，干燥后粉碎，得产品。

优选的，所述热解炭化的方法为：农林废弃物第一次升温至220～260℃后，第一次保温，第二次升温至350～750℃，第二次保温。

优选的，所述第一次升温的速度为6～10℃/min，所述第二次升温的速度为2～4℃/min。

优选的，所述第一次保温的时间为25～55min，所述第二次保温的时间为1～3h。

优选的，所述活化的方法为：活化剂浸泡后，冷却至室温。

优选的，所述活化剂为：浓度为1～3mol/L的盐酸，所述浸泡的时间为2～6h。

优选的，所述热解炭化在厌氧条件下进行。

优选的，所述农林废弃物在热解炭化前需进行预处理；所述预处理的方法为：将所述农林废弃物去杂后，干燥，粉碎至粒径小于25mm。

优选的，所述第一产物的粒径为20～100目，所述第二产物的粒径为60目，所述产品的粒径为20～100目。

本发明还提供了一种包括以上任意一项所述的生物炭基组合物在土壤改良中的应用。

综上所述，本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法，所述制备方法为：步骤一、农林废弃物热解炭化后冷却至室温，活化后粉碎，制得第一产物；步骤二、碱性调节剂干燥后粉碎，制得第二产物；步骤三、所述第一产物和第二产物混合，干燥后粉碎，得产品。本发明还提供了上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案，可有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，进一步地，提高土壤所种植农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。同时，本发明提供的技术方案，还具有成本低廉、方便易得、以及不会造成二次污染的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为不同温度制备的生物炭FTIR图。

具体实施方式

本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法及其应用，用于解决现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更详细说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种生物炭基组合物及其应用，进行具体地描述。

实施例1

称取木屑1000g后，烘干粉碎至粒径小于25mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min升温至550℃后，保温3小时，研磨后过20目筛，用lmol/L盐酸浸泡3小时，洗涤烘干后制得木屑生物炭，即为第一中间产品1。

称取制碱废渣100g，烘干粉碎，过60目筛，制得第二中间产品1。

将250g第一中间产品1与50g第二中间产品1混合，烘干后过100目筛，制得产品1。

实施例2

称取谷壳1000g后，烘干粉碎至粒径小于10mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至250℃，停留25min，然后以3℃/min升温至550℃后，保温2小时，研磨过100目筛，用3mol/L盐酸浸泡1小时，洗涤烘干后制得谷壳生物炭，即为第一中间产品2。

称取石灰100g，烘干粉碎，过60目筛，制得第二中间产品2。

将300g第一中间产品2与30g第二中间产品2混合，烘干后过80目筛，制得产品2。

实施例3

称取玉米秸秆1000g后，烘干粉碎至粒径小于10mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以10℃/min升温至260℃，停留45min，然后以2℃/min升温至750℃后，保温1小时，研磨过100目筛，用2mol/L盐酸浸泡2小时，洗涤烘干后制得玉米秸秆生物炭，即为第一中间产品3。

称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品3。

将200g第一中间产品3与60g第二中间产品3混合，烘干后过80目筛，制得产品3。

实施例4

称取小麦秸秆1000g，后，烘干粉碎至粒径小于15mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min升温至240℃，停留55min，然后以4℃/min升温至550℃后，保温1小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡1小时，洗涤烘干后制得小麦秸秆生物炭，即为第一中间产品4。

称取制碱废渣100g和石灰100g充分混匀，烘干粉碎后过60目筛，制得第二中间产品4。

将300g第一中间产品4与30g第二中间产品4混合，烘干后过20目筛，制得产品4。

实施例5

称取晾干的花生壳1000g后，烘干粉碎至粒径小于25mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以10℃/min升温至250℃，停留20min，然后以3℃/min升温至350℃后，保温3小时，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡2小时，洗涤烘干后制得花生壳生物炭，即为第一中间产品5。

称取石灰100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品5。

将250g第一中间产品5与50g第二中间产品5混合，烘干后过60目筛，制得产品5。

实施例6

称取去杂的棕榈丝1000g后，烘干粉碎至粒径小于20mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡6小时，洗涤烘干后制得棕榈丝生物炭，即为第一中间产品6。

称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品6。

将200g第一中间产品6与60g第二中间产品6混合，烘干后过100目筛，制得产品6。

实施例7

本实施例为产品6的有益效果测定实验。

本实施例的试验地点位于广东省韶关市仁化县董塘镇，选择典型的酸性红壤且受铅、镉重金属污染土壤地块，土壤pH值为4.87，有效铅含量为439.4mg/kg，有效镉含量为6.56mg/kg。根据土壤环境质量标准(GB15618-1995)判定，其污染水平超过土壤环境质量二级标准。供试作物为广东省农业科学院作物研究所已鉴定玉米品种(粤甜9号)。

本次测定共分成四个对照组。组别1：对照(CK)，不施生物炭基组合物；组别2：玉米种植前一次性施加667kg/亩的棕榈丝生物炭；组别3：玉米种植前一次性施加200kg/亩碱性调节剂；组别4：玉米种植前一次性施加667kg/亩产品6。每个处理3次重复，随机排列，每个小区面积为2m*10m＝20m²。

在玉米播种前，将各处理改良剂与表层土壤翻耕、耙匀，淋水后平衡7天，播种玉米，出苗后各处理的田间管理及养分管理一致，至玉米收获后，采集该田块表层土壤(0-30cm)，分析土壤pH以及有效铅、有效镉等重金属含量，统计各处理玉米产量及其籽粒铅、镉等重金属含量，以考察生物炭基组合物改良重金属污染农田的效果。所得检测结果请参阅表1至表3.

表1：土壤pH及重金属含量

表2：玉米产量

表3：玉米粒中重金属含量

表1试验结果表明，施加生物炭和碱性调节剂均可提高土壤的pH值，分别比对照增加了0.42和1.46个单位；而产品6应用效果最好，其pH值比对照增加了2.04个单位。表1结果还显示，单施生物炭及碱性调节剂均能显著降低土壤有效铅和有效镉含量，其有效铅的含量分别比对照降低了11.3％和26.4％，有效镉则分别降低了23.9％和37.6％；而产品6的改良效果最佳，其土壤有效铅和有效镉含量分别比对照降低了41.5％和54.3％。

由表2和表3可知，添加生物炭、碱性调节剂均能显著增加玉米的产量；产品6增产效果一定程度优于单施生物炭或碱性调节剂，其小区平均产量是对照的4.95倍，折合亩产1100.2公斤每亩，并且收获的玉米籽粒虽未达到食品卫生安全标准的限量要求(铅≤0.2mg/kg；镉≤0.1mg/kg)，但其铅和镉含量比对照分别降低了58.9％和81.4％，对玉米的品质具有明显的改善作用。

可见，本发明提供的技术方案，通过提高土壤pH值和降低土壤有效铅、有效镉含量，实现了土壤理化性质的改良，促进了玉米的生长进而提高了玉米的产量和品质，且试验的效果均比单施生物炭或碱性调节剂的应用效果好，可持续稳定并降低土壤重金属及其生物有效性，实现改良南方重金属污染土壤的理化性质，更好地恢复农田的生产力，提高农作物产量及品质的效果。

对产品1～产品5重复上述实验，得到类似的实验结果，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供了一种生物炭基组合物，所述生物炭基组合物的原料为：生物质和碱性调节剂；所述生物质选自农林废弃物中的任意一种或多种。本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用，本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在降低土壤中重金属含量中的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案，可有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，进一步地，提高土壤所种植的农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。同时，本发明提供的一种生物炭基组合物，还具有成本低廉、方便易得以及不易造成二次污染的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种生物炭基组合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

步骤一、称取去杂的棕榈丝1000g后，烘干粉碎至粒径小于20mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡6小时，洗涤烘干后制得棕榈丝生物炭，即为第一中间产品；

步骤二、称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品；

步骤三、将200g第一中间产品与60g第二中间产品混合，烘干后过100目筛，制得产品。

2.一种包括权利要求1所述的制备方法得到的产品在土壤改良中的应用。

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