CN106430181A - 一种利于碳循环的生物碳材料及制备方法和应用 - Google Patents

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张列宇
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徐剑锋
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Abstract

一种利于碳循环的生物碳材料：1)将生长成熟的且富集Ni或/和Ti的植物生物质烘干并破碎；2)步骤1破碎后的植物体于氩气气氛中碳化为活性炭；3)水洗后加入氯化锌溶液搅匀，微波辐射，室温浸泡；4)水洗至洗炭水pH值为中性，干燥；5)烘干，滴加硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁；6)水洗后烘干，冷却至室温后密封，加热，冷却至室温即制得生物碳材料。本发明还公开了生物碳材料的制备方法。本发明的生物碳材料可以用于土壤改良。

Description

一种利于碳循环的生物碳材料及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种利于碳循环的绿色功能性生物碳材料。
本发明还涉及上述生物碳材料的制备方法。
本发明还涉及上述生物碳材料在改良土壤中的应用。
背景技术
植物修复技术(Phytoremediation)是近年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。
重金属超富集植物(hyperaccumulator)及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域，超富集植物指对重金属的吸收量超过一般植物100倍以上的植物，其临界含量分别为锌和锰10000mg/kg、镉100mg/kg、金1mg/kg，铜、铅、镍、钴均为1000mg/kg。植物地上部的重金属含量高于根部该种重金属含量；植物的生长没有出现明显的毒害症状。利用超富集植物修复矿区重金属污染土壤，较传统方法而言是一种可靠经济安全的技术。
而有关植物提取修复产生的重金属富集植物生物质(Heavy metal-enrichedplant biomass，HMEPB)处置技术的研究相对缺乏，很大程度上阻碍了植物修复技术的工程化应用。
同时，近年来人类活动引起温室气体排放，而温室气体排放又造成全球气候变化。如何减少人类活动引起的温室气体排放直接关系到人类的生存。然而有研究表明，全球大部分土壤会出现土壤有机质降低、微生物量减少、土壤速效P和水解N明显下降等地力衰退问题。土壤肥力下降会引起植物生长生物量和土地固碳能力下降，因此如何改善土壤肥力是现阶段环境研究关注的热点。
现有研究表明生物质原料经过低温无氧裂解形成的富碳生物炭施入农田土壤可以提高土壤碳储量、改善土壤理化性质，为作物生长提供养分，达到改良土壤的目的。利用重金属富集植物生物质制备生物炭，既解决了重金属富集植物生物质的资源化问题，同时又解决温室气体排放，土壤固碳减排的问题，是解决两个重大环境问题的新方法，是现有研究方向的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种利于碳循环的绿色功能性生物碳材料。
本发明的又一目的是提供一种制备上述生物碳材料方法。
为实现上述目的，本发明提供的利于碳循环的绿色功能性生物碳材料，通过下述方法得到：
1)将生长成熟的且富集Ni或/和Ti的植物生物质烘干并破碎；
2)步骤1破碎后的植物体于氩气气氛中，150-200min内从室温上升至800-900℃并保持100-120min，再于150-200min内降低至室温，将生物质碳化为活性炭；
3)步骤2的活性炭水洗至洗炭水清亮后加入氯化锌溶液搅匀，于300W-700W的辐射功率下微波辐射15-25min，室温浸泡；
4)步骤3的活性炭水洗至洗炭水pH值为中性，100-105℃下干燥；
5)步骤4活性炭烘干，40-50℃下振摇滴加浓度为16-20mM的硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁；
6)步骤5的活性炭水洗后于100-105℃烘干，冷却至室温后，将活性炭装满容器并密封，于180-680℃温度下加热10-60分钟，冷却至室温即制得生物碳材料。
所述的生物碳材料中，步骤1的植物生物质是在生长过程添加氯化亚铁、鼠李糖脂、过磷酸钠或/和聚天门冬氨酸。
所述的生物碳材料中，步骤1破碎后的植物体粒径为3-5mm。
所述的生物碳材料中，步骤3中氯化锌溶液的氯化锌质量分数为30-50％。
本发明提供的制备上述生物碳材料的方法，其步骤为：
1)将生长成熟的且富集Ni或/和Ti的植物生物质烘干并破碎；
2)步骤1破碎后的植物体于氩气气氛中，150-200min内从室温上升至800-900℃并保持100-120min，再于150-200min内降低至室温，将生物质碳化为活性炭；
3)步骤2的活性炭水洗至洗炭水清亮后加入氯化锌溶液搅匀，于300W-700W的辐射功率下微波辐射15-25min，室温浸泡；
4)步骤3的活性炭水洗至洗炭水pH值为中性，100-105℃下干燥；
5)步骤4活性炭烘干，40-50℃下振摇滴加浓度为16-20mM的硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁；
6)步骤5的活性炭水洗后于100-105℃烘干，冷却至室温后，将活性炭装满容器并密封，于180-680℃温度下加热10-60分钟，冷却至室温即制得生物碳材料。
所述的制备方法中，步骤1的植物生物质是在生长过程添加氯化亚铁、鼠李糖脂、过磷酸钠或/和聚天门冬氨酸。
所述的制备方法中，步骤1破碎后的植物体粒径为3-5mm。
所述的制备方法中，步骤3中氯化锌溶液的氯化锌质量分数为30-50％。
本发明的生物碳材料可以有效影响土壤中水分存在形式，生物炭孔隙通路改善土壤中水分流动特性，在干旱季节可以释放水分，调节土壤含水率；制备的生物炭在梅雨季节，可以锁住水分，减缓雨水对土壤冲刷，保留土壤中营养物质；制备的生物炭在植物生长过程中可以释放水分和营养物质，直达植物根系，提高植物生长速度和产量；生物炭影响土壤中的微生物活性。制备的生物炭可以有效将重金属锁扣在生物炭纤维结构内，不但避免了重金属元素重新释放到环境中形成“二次污染”，活化后形成具备高强电容、催化等附加功能的绿色新型材料。
具体实施方式
本发明采用的植物在生长过程中源源不断吸收重金属至体内，吸收重金属的植物生物质烧制为活性炭，重金属不是粘结在碳结构上，而是镶嵌在植物碳纤维内，其联结结构无比稳固，生物炭内重金属负载量远远超过现有负载方式，生物炭活化后，其表面灰分焦油被清除，金属离子暴露出来，经过硼氢化钠还原，成为负载重金属的活性炭，不但具备活性炭本身调控城市水力、为土壤增加肥效、养分固持以及改善微生物生境的性能，同时具备电容、催化的功能。
本发明中的植物通过光合作用吸收CO2，合成并转化成碳水化合物储存在植物体内，在无氧或缺氧条件下将这些植物体热解处理，炭化后得到的生物炭可重新施入并封存于土壤中，以达到固碳的目的，可以大大降低大气中CO2的含量，进而解决因温室气体排放所引起的全球气候变暖问题。废弃的生物质资源通过炭化技术制备成生物炭，可在很大程度上解决碳流失问题，生物炭不仅是大气CO2的一个长期“碳汇”，在全球碳循环中具有重要作用，同时也被认为可能是碳平衡中“迷失碳汇”的重要部分，其中富含的碳元素使土壤的肥沃度维持了数千年。
以下用一个实施例详细说明本发明的技术方案。
植物生长过程添加氯化亚铁以及鼠李糖脂、过磷酸钠或聚天门冬氨酸，让超富集植物或大生物量植物体内重金属达到植物能够承受的最高浓度，在植物生长成熟后将富集重金属Ni或Ti的植物生物质烘至全干，根据需要将整株植物体破碎成粒径3-5mm的颗粒；
在管式马弗炉内通满氩气，从室温上升至900℃后，破碎的植物体颗粒放置入管式马弗炉中，保持900℃120min，200min内从900℃降低至20℃，将生物质碳化为活性炭；
取活性炭，用蒸馏水清洗至洗炭水清亮后，加入氯化锌质量分数为40％的氯化锌溶液至液面高过活性炭，用玻璃棒搅拌均匀，微波辐射功率为500W下辐射25min，25℃浸泡过夜；
用蒸馏水清洗活性炭至洗炭水pH值为7，将洗净的活性炭在105℃下干燥备用；活化后的生物炭烘干，在低温的环境下滴加20mM硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁，在滴加的同时用振荡器以120转/分振摇；用蒸馏水清洗活性炭后于105℃烘干，待冷却至室温后，将活性炭装满容器并密封，置于烘箱中，在580℃温度下加热40分钟，冷却至室温即制得本发明的生物炭材料-原位自还原负载型活性炭。
本实施例的生物炭材料，可以有效影响土壤中水分存在形式，生物炭孔隙通路改善土壤中水分流动特性，在干旱季节可以释放水分，调节土壤含水率稳定在20％-50％；制备的生物炭在梅雨季节，可以锁住水分，减缓雨水对土壤冲刷，保留土壤中营养物质；制备的生物炭在植物生长过程中可以释放水分和营养物质，直达植物根系，提高植物生长速度1.5-3.5倍和产量1.5-3.5倍；生物炭影响土壤中的微生物活性。制备的生物炭可以有效将重金属锁扣在生物炭纤维结构内，不但避免了重金属元素重新释放到环境中形成“二次污染”，土壤中有益活菌量提升1～2个数量级，达到10.0～11.0lg CFU/g。

Claims (9)

1.一种利于碳循环的生物碳材料，通过下述方法得到：
1)将生长成熟的且富集Ni或/和Ti的植物生物质烘干并破碎；
2)步骤1破碎后的植物体于氩气气氛中，150-200min内从室温上升至800-900℃并保持100-120min，再于150-200min内降低至室温，将生物质碳化为活性炭；
3)步骤2的活性炭水洗至洗炭水清亮后加入氯化锌溶液搅匀，于300W-700W的辐射功率下微波辐射15-25min，室温浸泡；
4)步骤3的活性炭水洗至洗炭水pH值为中性，100-105℃下干燥；
5)步骤4活性炭烘干，40-50℃下振摇滴加浓度为16-20mM的硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁；
6)步骤5的活性炭水洗后于100-105℃烘干，冷却至室温后，将活性炭装满容器并密封，于180-680℃温度下加热10-60分钟，冷却至室温即制得生物碳材料。
2.根据权利要求1所述的生物碳材料，其中，步骤1的植物生物质是在生长过程添加氯化亚铁、鼠李糖脂、过磷酸钠或/和聚天门冬氨酸。
3.根据权利要求1所述的生物碳材料，其中，步骤1破碎后的植物体粒径为3-5mm。
4.根据权利要求1所述的生物碳材料，其中，步骤3中氯化锌溶液的氯化锌质量分数为30-50％。
5.权利要求1所述生物碳材料的制备方法，其步骤为：
1)将生长成熟的且富集Ni或/和Ti的植物生物质烘干并破碎；
2)步骤1破碎后的植物体于氩气气氛中，150-200min内从室温上升至800-900℃并保持100-120min，再于150-200min内降低至室温，将生物质碳化为活性炭；
3)步骤2的活性炭水洗至洗炭水清亮后加入氯化锌溶液搅匀，于300W-700W的辐射功率下微波辐射15-25min，室温浸泡；
4)步骤3的活性炭水洗至洗炭水pH值为中性，100-105℃下干燥；
5)步骤4活性炭烘干，40-50℃下振摇滴加浓度为16-20mM的硼氢化钠溶液还原亚铁离子为零价铁；
6)步骤5的活性炭水洗后于100-105℃烘干，冷却至室温后，将活性炭装满容器并密封，于180-680℃温度下加热10-60分钟，冷却至室温即制得生物碳材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤1的植物生物质是在生长过程添加氯化亚铁、鼠李糖脂、过磷酸钠或/和聚天门冬氨酸。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤1破碎后的植物体粒径为3-5mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤3中氯化锌溶液的氯化锌质量分数为30-50％。
9.权利要求1所述的生物碳材料在改良土壤中的应用。
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