CN106171884A - 一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质及其制备方法 - Google Patents

一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质及其制备方法。本发明通过将由植物废弃物得到的生物炭与硅溶胶进行复合，其后老化养护的过程制得了一种可高效工业化制备的、可有效利用农林废弃物的、可显著提高作物生长质量的无土栽培基质，同时本发明强度和疏松度均可调节，使用后的无土栽培基质经过破碎和再次复合，可循环利用。

Description

一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质及其制备方法
技术领域
本发明涉及无土栽培基质，特别是以生物炭为原料的无土栽培基质的技术领域。
背景技术
无土栽培基质是指代替土壤提供作物机械支持和物质供应的固体介质。常见的无土栽培基质包括泥炭，珍珠岩，岩棉，陶粒，锯末，浮石，蛭石等，其中除了泥炭，蛭石为活性基质外，其余多为惰性基质，即本身不含有营养成分，而通过吸附的营养液保证植物的生长的基质。
相对于活性基质而言，惰性基质来源广泛，可调性优异，使用灵活、方便，成本低廉，具有普适性，其特别优异的地方在于可以将某些废弃物进行二次利用，可再生。
我国年产农林业废弃物约14亿吨，其中仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆产量就达到6.5亿吨，而其中秸秆还田量占比不足20%，被浪费的资源量超过50%。
我国农作物秸秆随意弃置，每年可能形成的面源COD总量极大值约为488万吨。在此背景下，有不少研究都考虑了对秸秆等农业废弃物的二次利用，在无土栽培基质方面，这样的研究主要集中于对秸秆的直接粉碎利用、发酵利用、生物处理等方面，通常要么过于粗放、利用效率低、可控性差、造成二次污染，要么成本较高、步骤复杂、加工周期过长。
从工业化角度考虑，只有对秸秆等农林废弃物进行统一的、高效地加工，才能实现其最大的利用价值。
而数量庞大的农林业废弃物正是生物炭的理想来源。生物炭是由生物质材料在完全或部分缺氧的条件下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质，为多孔状结构，具有较大的比表面积和较高的表面能，同时生物炭表面的主要基团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，极性官能团较少，由此具有良好的吸附特性，
生物炭通常呈现碱性，质地疏松，具有超强的肥料持留能力，可以降低养分的流失，还具有较强的持水性能，可以提高基质保水能力；此外生物炭还含有植物生长所需的一些营养元素，对植物生长也具有促进作用。
生物炭技术正契合了高效的、工业化的利用农林废弃物资源，减少面源污染的需要，具有很好的应用前景和意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可高效工业化制备的、可有效利用农林废弃物的、可显著提高作物生长质量的无土栽培基质，本发明的另一目的在于提出这种无土栽培基质的制备方法。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，包括以下步骤：
（1）生物炭的制备：
以植物废弃物为碳源，采用热解法制备生物炭；
（2）硅溶胶的复合：
将通过酸中和法或复分解法制备的硅溶胶与所述生物炭进行复合，其后再于温度25~40℃，相对湿度55~65%的条件下老化养护7~15天，取出洗涤、干燥，即得到所述无土栽培基质；
上述复合是指硅溶胶浸入生物炭中的过程。
该技术方案中所述热解法是指在隔绝空气的条件下将目标物进行加热分解的方法。
生物炭虽然为多孔结构，比表面积大、吸附能力强，但其通常呈现粉状或松散的颗粒/碎块状，直接用作基质时，没有足够的强度支撑作物生长，使作物产生根基不稳、倒伏等现象，若使用常规的粘结材料对生物炭进行粘合，要么其与生物炭的粘结性能不好，难以将松散的结构粘合为整体，要么其容易对作物产生危害，硅溶胶生物相容性好，与生物炭的结合能力好，两者形成的复合材料强度高、吸附能力强、耐候性好，硅溶胶在生物炭中不仅起到粘合作用，同时其中的微小颗粒可作为增强材料，提高两者复合后的强度，此外，硅溶胶的粒径达到纳米级，其本身的吸附能力也较强，在与生物炭进行复合时，形成连续相，进一步提高了复合材料的小分子吸收、吸附、固定的能力。
优选的是：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先经酸中和法或复分解法通过硅源材料制备得到硅溶胶，再使用所述硅溶胶浸渍所述生物炭。
该优选方案中先进行了硅溶胶的制备，再进行了硅溶胶的浸渍，得到的无土栽培基质均一性良好。
另一种优选的无土栽培基质的制备方法为：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先用硅源材料的溶液浸渍所述生物炭10~30min，再用无机酸或水溶性盐浸渍含硅源材料的生物炭。
该优选方案中硅溶胶的制备与无土栽培基质的获得是同时进行的，首先将浸润性良好的硅源材料（通常为溶液）充分浸润生物炭，其后再原位生成了硅溶胶，同时进行硅溶胶与生物炭的复合，因此得到的无土栽培基质中硅溶胶相的连续性良好，浸润程度高，基质整体强度高，成型性良好。
另一种优选的无土栽培基质的制备方法为：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先用无机酸或水溶性盐浸渍所述生物炭10~30min，再用硅源材料的溶液浸渍含无机酸或水溶性盐的生物炭。
所述无土栽培基质的制备方法的另一优选实施方式为：所述步骤（1）中所述植物废弃物为农作物秸秆、竹木加工废弃物、树枝、树叶、果壳、果皮、酒糟、甘蔗渣、稻谷壳、棉籽壳、废弃食用菌培养基中的一种或多种。
其另一优选实施方式为：所述步骤（1）中所述热解法的温度为300~600℃。
该优选热解温度一方面可以促使植物废弃物的充分分解，另一方面可得到尺寸分布均匀、合理的生物炭。
其另一优选实施方式为：所述步骤（2）中所述酸中和法选用的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或多种；所述复分解法中选用的水溶性盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵的一种或多种。
其另一优选实施方式为：所述步骤（2）中所述生物炭的质量与所述硅溶胶的体积比为1:5~10。
此处所述生物炭的质量与所述硅溶胶的体积比（w/m）为同一量级的数值的比，如其单位为g/mL或kg/L。
其另一优选实施方式为：所述步骤（2）中所述生物炭的粒径为0.2~0.5mm。
硅溶胶与生物炭的用量比，及生物炭的尺寸决定了最终得到的无土栽培基质的强度、相结构与吸附能力，实施上述两种优选方案后得到的无土栽培基质对水及养料分子的吸附能力控制恰当，一方面可保证栽种植物对水分及营养元素的充分吸收，另一方面又不致使其因吸水过多而出现生长异常。
所述无土栽培基质的制备方法的另一优选实施方式为：所述硅源材料为水玻璃（Na2O•nSiO2）。
其进一步的优选为：所述水玻璃为模数为3.0~3.5的水玻璃，特别优选模数为3.2的水玻璃。
本发明具备以下有益效果：
（1）本发明通过硅溶胶与生物炭的复合，在生物炭中形成连续的Si-O-Si网络空间结构，不仅实现了生物炭的固化，使得到的无土栽培基质强度高、形状规整，另一方面进一步增加了无土栽培基质对水分子及养料分子的吸收、吸附、固定的能力；
（2）本发明中不同的硅溶胶与生物炭的质量比及生物炭尺寸，可以对应产生强度不同、疏松度不同的无土栽培基质，调整方便、简捷，便于根据作物需求的不同，按档次制订统一的标准，实现工业化运作；
（3）本发明的无土栽培基质的结构优化，一方面疏松、规整，可充分实现水分、养料分子的吸收，另一方面，其吸收能力及微观尺寸控制在适当的范围内，在达到吸收饱和后，多余的水分会下渗流走，不会产生积水，这样植物根系既能从基质中吸收生长所需水分，又不会因透气性差而导致呼吸受阻，有效防止植物烂根，同时基质中的水分容易向上蒸发，从而提高根部周围的空气湿度，这一点在干燥的季节和地区尤为重要；
（4）本发明的无土栽培基质质量轻、强度大、吸附能力控制良好，可用于植物的水面栽培，其不仅可以吸附富营养化水体中的氮、磷、钾等营养元素供植物生长，又不会产生因植物在水环境下自由吸收而导致的吸水过多，根系腐烂；
（5）本发明的无土栽培基质在用作水面栽培时还可以吸附水中的重金属元素，解决水体的污染问题，在用于室内盆栽植物栽培时，还可以净化空气，吸附空气中的甲醛等挥发性有机化合物；
（6）本发明的无土栽培基质采用植物废弃物为碳源，成本低廉，生态效益显著，且制备过程便于工业化运作；使用后的无土栽培基质经过破碎和再次复合，可循环利用；且在制备的过程中若采用不同的模具，可以得到不同形状的无土栽培基质；
（7）本发明制备的无土栽培基质材料为惰性材料，理化性能优良，不分解，疏松性、透气性、保水性和保温保湿性良好，基质水分调节能力强，可以单独作为栽培基质或作为其他配方栽培基质的辅料，适用于各类植物的栽培种植。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步具体描述，但本发明的技术方案并不局限于下述实施例的范围。
实施例1
将油菜秸秆切碎至1厘米左右，烘干后在隔绝空气的条件下加热到450℃，并维持该温度3h，得到颗粒状生物炭；将100毫升模数为3.2的水玻璃稀释于200毫升水中，搅拌30分钟，搅拌过程中，加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之间，得到硅溶胶；将5克粒径分布为0.2~0.5毫米的颗粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶胶进行浸润，在温度为30℃，湿度为60%的条件下养护10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去残余的硝酸和生成硝酸钠，晾干，即得到所述无土栽培基质，得到的材料抗压强度为500 kPa，体积密度为1.15g/cm3。
实施例2
将新鲜的酒糟干燥，在隔绝空气条件下加热到500℃，持续3h，得到颗粒状生物炭；将100毫升模数为3.0的水玻璃稀释于200毫升水中，搅拌20分钟，搅拌过程中，加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之间，得到硅溶胶；将5克粒径分布为0.2~0.5毫米的颗粒生物炭加入模具中，以50毫升硅溶胶浸润，在温度为40℃，湿度为60%的条件下养护7天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去残余的硝酸和生成的硝酸钠，晾干，即得所述无土栽培基质，其抗压强度为550 kPa，体积密度为1.22 g/cm3。
实施例3
将油菜秸秆切碎至1厘米左右，烘干，在隔绝空气条件下加热到300℃，持续4h，得到颗粒状生物炭；将4毫升模数为3.5的水玻璃稀释于30毫升水中，搅拌10分钟；将5克粒径分布为0.2~0.5毫米的颗粒生物炭加入模具中，以稀释的水玻璃溶液浸润，其后加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之间，在温度为25℃，湿度为55%的条件下养护15天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去残余的硝酸和生成硝酸钠，晾干，即得到所述无土栽培基质。
实施例4
将油菜秸秆切碎至1厘米左右，烘干，在隔绝空气条件下加热到600℃，持续2h，得到颗粒状生物炭；将5克粒径分布为0.2~0.5毫米的颗粒生物炭加入模具中，以4毫升浓度为25%的稀硝酸浸润；将4毫升模数为模数3.2的水玻璃稀释于30毫升水中，搅拌10分钟，加入到浸润过稀硝酸的生物炭中，在温度为30℃，湿度为65%的条件下养护10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去残余的硝酸和生成硝酸钠，晾干，即得到所述无土栽培基质。
实施例5
将油菜秸秆切碎至2厘米左右，烘干，在隔绝空气条件下加热到450℃，持续3h，得到颗粒状生物炭；将100毫升模数为3.2的水玻璃稀释于200毫升水中，搅拌30分钟，搅拌过程中，加入氯化铵溶液，使混合液的pH值至5~6之间，得到硅溶胶；将5克粒径为0.2~0.5毫米的颗粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶胶浸润，在温度为30℃，湿度为60%的条件下养护10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去生成的盐类，晾干，即所述无土栽培基质。
实施例6
将小麦秸秆切碎至2厘米左右，烘干，在隔绝空气条件下加热到450℃，持续3h，得到颗粒状生物炭；将100毫升模数为3.3的水玻璃稀释于200毫升水中，搅拌30分钟，搅拌过程中，加入氯化铵，使混合液的pH值至5~6之间，得到硅溶胶；将5克的颗粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶胶浸润，在温度为30℃，湿度为60%的条件下养护10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗涤混合物，洗去生成盐类，晾干，即得到所述无土栽培基质。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (10)

1.一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）生物炭的制备：
以植物废弃物为碳源，采用热解法制备生物炭；
（2）硅溶胶的复合：
将通过酸中和法或复分解法制备的硅溶胶与所述生物炭进行复合，其后再于温度25~40℃，相对湿度55~65%的条件下老化养护7~15天，取出洗涤、干燥，即得到所述无土栽培基质；
上述复合是指硅溶胶浸入生物炭中的过程。
2.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先经酸中和法或复分解法通过硅源材料制备得到硅溶胶，再使用所述硅溶胶浸渍所述生物炭。
3.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先用硅源材料的溶液浸渍所述生物炭10~30min，再用无机酸或水溶性盐浸渍含硅源材料的生物炭。
4.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述复合的过程为：先用无机酸或水溶性盐的溶液浸渍所述生物炭10~30min，再用硅源材料的溶液浸渍含无机酸或水溶性盐的生物炭。
5.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中所述植物废弃物为农作物秸秆、竹木加工废弃物、树枝、树叶、果壳、果皮、酒糟、甘蔗渣、稻谷壳、棉籽壳、废弃食用菌培养基中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中所述热解法的温度为300~600℃，所述步骤（2）中所述生物炭的质量与所述硅溶胶的体积比为1:5~10，所述步骤（2）中所述生物炭的粒径为0.2~0.5mm。
7.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述酸中和法选用的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或多种；所述复分解法中选用的水溶性盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质的制备方法，其特征在于：所述硅源材料为水玻璃。
9.一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质，其特征在于：根据权利要求1~8中任一项所述的制备方法制备得到。
10.一种生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质，其特征在于：所述生物炭/硅溶胶复合无土栽培基质使用后经过破碎和再次复合，可循环利用。
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