CN106865523A - 一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缓解稻田氨挥发排放的水热生物炭的制备方法及其应用，其中制备方法包括：制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，进行升温热解，再冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥、再自然晾干并陈化，得到水热生物炭；将水热生物炭与柠檬酸溶液混合，在一定条件下进行酯化反应，得到最终产品；该产品用于稻田中控制氨挥发。本发明在水稻稻田中，按照本发明提供的施加方法施加改良水热生物炭，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量还可以增加水稻产量。
Description
技术领域
本发明属于水热生物炭缓解氨挥发技术领域，特别涉及一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用。
背景技术
氨气是生态系统氮循环的重要成分，也是大气污染物之一。土壤氨挥发是农田氮素损失的重要途径之一，这不仅降低了氮肥利用率而且挥发释放的氨气还会对环境造成污染。全世界施入土壤的氮肥中1%-47% 以土壤氨挥发的形式进入大气。我国是世界上最大的产稻国，水稻土的面积达2.53×107 hm2，占世界水稻土面积的23%，占我国粮食耕地面积的29%。但我国稻田中氮肥的利用率只有30%-35%，损失高达50%以上。氮肥利用率低不仅直接影响农业生产效益；同时也造成土壤、水和大气环境的污染，对人类赖以生存的环境造成危害。因此，研究氨挥发损失途径和机理，并探索控制氨挥发的施肥和农田管理措施，对于节约养分资源、提高农民种粮经济效益和保护生态环境均具有重要的现实意义。
减少氨挥发的方法包括改进施肥技术、施用新型肥料、添加土壤改良剂等。其中生物炭作为一种土壤改良剂受到广泛关注并迅速升温成为当前研究的热点。特别是近年来，在气候变化、环境污染、能源短缺、粮食危机和农业可持续发展等宏观背景下，生物炭的潜在应用价值和应用空间被进一步拓展。目前研究较为广泛的是常规热解生物炭（pyro-char）。常规热解生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧或无氧条件下高温裂解形成的稳定的富碳产物。它具有良好的吸附性能，其吸附能力受原材料和制备温度的影响显著。常规热解生物炭除了直接吸附NH4 +/NH3，降低N的损失提高利用率外，生物炭加入土壤中还能够促进土壤中NH4 +向NO3 --N 转化，促进土壤N 的转化提高了N 的生物有效性。然而，常规热解生物炭多少制备条件下均呈碱性，虽然生物炭较强的吸附能力会滞留一部分的铵根，但是土壤酸碱条件的变化，会促进铵根向氨气的转化，进而导致氨挥发损失的增加。因此，从控制稻田氨挥发的角度，施加常规热解生物炭往往不是理想的技术措施。
水热炭化作为一种新型的生物质炭化技术，由于不受物料含水率的制约、制备过程简单、反应条件温和、生物炭产量较高且具有官能团丰富等优点被认为是高含水率生物质制备生物炭较为理想的方法。水热炭化法（HTC）与传统的热化学转化方法相比，HTC 温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，保留了大量废弃生物质中的氧、氮元素，水热炭化物表面具有丰富的含氧官能团，因而亲水性及金属吸附性强。水热生物炭炭产率较高，进而产生较高的总能量，但炭化率较低，芳香结构较少且生物稳定性差。因此，通过水热炭化技术利用农林废弃物生产生物炭，对于缓解资源浪费和解决环境污染等问题有着巨大的潜力。因为特殊的生成条件所导致的独特的物理化学结构，水热炭在吸附、制备多孔炭、催化剂载体和清洁能源等领域展现出了良好的应用前景。
需要注意的是，水热炭化技术制备的生物炭（HTC），若施加不当，可能会造成负面效果，特别是其含有的较多有机酸和酚类物质，在较高施加量条件下可能对植物生长造成不利影响。此外，水热炭比表面积偏小，需要经过一定的预处理过程提高比表面积和对养分特别是铵根的吸附能力。因此，针对水热炭这类生物质炭材料，有必要通过一定的改良，并通过限定其制备条件、施加方式、施加时间等，实现环境效益和经济效益的最大化。基于水热炭的优良特性和潜在不利影响，本发明着眼于控制稻田氨挥发排放，同时避免其负面作用，提出了一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭及其应用，为我国稻田面源污染控制、大气质量的改善、化肥利用效率的提高提供一种低成本的、绿色友好的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量可以增加水稻产量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180-260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1-10℃/min，反应釜内压力保持为4-10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5-10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置1-4周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1-2h，然后升温至70℃保持1-2h，继续升温至120℃保持3-12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2-3次，晾干，得到改良的水热生物炭。所述水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10 （w/v），为两者之间的质量体积比，即1kg水热生物炭对应2-10L柠檬酸溶液。
进一步的，所述步骤（1）中，原始材料为废弃的土生农作物和/或水生植物残体、林业副产物，其中土生农作物为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或多种；所述水生植物为水葫芦、黑麦草、水花生、水芹中的一种或多种；所述林业副产物为锯末、树木残体中的一种或多种。
进一步的，所述步骤（1）中，土生农作物和水生植物破碎为长度0.1-2 cm的碎块。
进一步的，所述步骤（2）中，溶剂为水，原始材料和溶剂的固液比为1:5-1:10，即每1 kg原始材料对应的水的体积为5-10L。
进一步的，所述步骤（3）中，炭基材料沥水后，烘干或晾干得到原始水热生物炭。
进一步的，所述步骤（4）中柠檬酸溶液浓度为0.4-0.7 mol/L，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。
进一步的，改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层2-20cm的水稻土混合。
进一步的，改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d或与其它基肥混合后一起施加。
进一步的，改良的水热生物炭的施加量为0.1%-3%（w/w），即每1kg表土中施加改良的水热生物炭的量为1-30g。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在水稻稻田中，按照本发明提供的施加方法施加水热生物炭，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量还可以增加水稻产量。
附图说明
图1是试验例中基肥期氨挥发通量；
图2是试验例中分蘖肥期氨挥发通量；
图3是试验例中穗肥期氨挥发通量；
图4是试验例中三个肥期不同处理氨挥发通量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将小麦秸秆、水稻秸秆、水花生、水芹破碎为长度0.1-2 cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:5进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1℃/min，反应釜内压力保持为4MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置1周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.4mol/L）按照物料比为1:2（w/v）充分混合，置于容器中浸渍1h，然后升温至70℃保持1h，继续升温至120℃保持3h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层2-5cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d。改良的水热生物炭的施加量为0.1%（w/w）。
实施例2
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将玉米秸秆破碎为长度0.5-1.0cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:8进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为200℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为5℃/min，反应釜内压力保持为8MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应5h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置2周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.55mol/L）按照物料比为1：5 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1.5h，然后升温至70℃保持1.5h，继续升温至120℃保持5h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤3次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层5-12cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为与其它基肥混合后一起施加。改良的水热生物炭的施加量为2%（w/w）。
实施例3
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将黑麦草破碎为长度0.8-2 cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:10进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为10℃/min，反应釜内压力保持为10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置4周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.7mol/L）按照物料比为1：8 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍2h，然后升温至70℃保持2h，继续升温至120℃保持12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤3次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层8-15cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为基肥前5-10d。改良的水热生物炭的施加量为3%（w/w）。
实施例4
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将小麦秸秆破碎为长度0.1-2 cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:5进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为210℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为8℃/min，反应釜内压力保持为8MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应8h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水、烘干或晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置3周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.6mol/L）按照物料比为1：10 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1.5h，然后升温至70℃保持1.5h，继续升温至120℃保持10h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2-3次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层3-5cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d。改良的水热生物炭的施加量为0.5%（w/w）。
实施例5
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将玉米秸秆和水葫芦破碎为长度0.1-2 cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:7进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为190℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为4℃/min，反应釜内压力保持为6MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应3h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水、烘干或晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置3周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.6mol/L）按照物料比为1：10 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍2h，然后升温至70℃保持1h，继续升温至120℃保持12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤3次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层15-20cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d。改良的水热生物炭的施加量为1%（w/w）。
实施例6
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将锯末破碎为长度0.1-0.3cm的碎块，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂水按照固液比为1:5进行混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1℃/min，反应釜内压力保持为4MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水晾干后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置3周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液（浓度为0.4mol/L）按照物料比为1：2 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1h，然后升温至70℃保持1h，继续升温至120℃保持3h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2次，晾干，得到改良的水热生物炭，所述步骤（4）中，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层2-5cm的水稻土混合。改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d。改良的水热生物炭的施加量为0.1%（w/w）。
本发明采用水稻盆栽进行试验，盆钵使用PVC材料定制，内径30cm，高度50cm，盆钵上距离底部5cm处设有一个直径1cm的小孔，为水稻烤田时所用，每个盆钵装入35kg的水稻土，土层厚度约50cm。
本试验使用的水热生物炭为按本发明提供的制备方法制备所得，施加方法、时间及施加量也为本发明所提供的应用中的方案。本发明提供的方法制备的水热生物炭根据其制备的材料包括实施例4中改良的麦秆水热炭（H-Wchar）和实施例6中的锯末水热炭（H-Schar），添加量包括0.5%和3% (w/w)。同时设置不施氮肥（CK0）和施氮肥（CKU）两个对照组。每个处理方式做3个重复组。
试验的对照组（CK0）不施加氮肥，其他试验组施氮处理总氮的投入一致，皆为240kgN/ha。氮肥分三次（基肥、蘖肥、穗肥）施加，其中基肥、蘖肥、穗肥的氮肥质量配比为4:4:2。氮肥所用肥料为尿素，基肥、蘖肥、穗肥的施加量依次为每盆1.454g尿素、1.454g尿素、0.727g尿素。在各试验组中均施加磷肥、钾肥，且在基肥时一次性施入，具体的磷肥（P2O5）、钾肥（K2O）用量分别为96kg/ha、192kg/ha。磷肥所用肥料为过磷酸钙，施加量为每盆4.847g，钾肥所用肥料为氯化钾，施加量为每盆2.161g。
2016年7月6日施加磷肥、钾肥，7月7日移栽并施加氮肥。氮肥在7月7日、7月18日、8月19日按配比分三次施加。7月18日-7月14日为基肥期，7月19日-7月25日为蘖肥期，8月7日-8月13日为烤田期，8月20日-8月26日为穗肥期。肥期每天都采集田面水和氨挥发，得出如图1-4和表1所示的试验数据。
如图1所示，基肥期不同水热炭处理对稻田氨挥发通量的影响。可以发现，在基肥期稻田氨挥发通量没有因为施加水热炭而消减，这与稻田氨挥发主要的控制性因素有关；同时通过与同等添加量的常规热解生物炭比较可以发现，水热炭添加对氨挥发的增排效应低于常规热解生物炭。
如图2所示，分蘖肥期不同水热炭处理对稻田氨挥发通量的影响。可以发现，在分蘖肥期稻田氨挥发通量因为施加水热炭而显著低于对照处理。因此，水热炭在分蘖肥期对稻田氨挥发的排放起到了一定的抑制作用，氨挥发减排率超过40%。
如图3所示，穗肥期不同水热炭处理对稻田氨挥发通量的影响。可以发现，在穗肥期稻田氨挥发通量因为施加水热炭而显著低于对照处理。但是穗肥阶段水热炭对氨挥发的减排效果不如分蘖肥期减排效果显著。多数情况下穗肥期水热炭施加对氨挥发通量的减排比例一般为10%左右。这可能与随着时间增加水热炭的效用消减有关。需要注意的是，3%添加量的小麦秸秆生物炭处理的氨挥发量较高，可能与较高添加量时植物生长受到影响，铵根吸收量以及土壤覆盖度降低有关。因此，这也说明水热炭的施加量是较为关键的参数，若施加量不合适，则会产生明显的负面作用。
如图4所示，三个肥期不同水热炭处理对氨挥发通量的综合影响。可以发现，通过施加本发明推荐条件下的水热生物炭，可以实现稻田氨挥发的显著降低，总体上减排率在10-18%，实现了良好的减排效果。
表1水热生物炭施加对水稻产量及构成因子的影响
Rice yield and its components
如表1所示，可以发现，通过施加本发明推荐条件下的水热生物炭，对水稻产量没有负面影响；同时，在特定条件下（如0.5%施加量的小麦秸秆水热生物炭）对水稻产量具有一定的促进效果，增产约4%。这表明本发明推荐条件下的水热生物炭可以同时实现氨挥发的减排和水稻的增产，具有较好的应用前景。
水热炭化作为一种新型的生物质炭化技术，由于不受物料含水率的制约、制备过程简单、反应条件温和、生物炭产量较高且具有官能团丰富等优点被认为是高含水率生物质制备生物炭较为理想的方法。水热炭化法（HTC）是指在密封的压力容器中，以农林生活废弃物为原料、以水为溶剂和反应介质、在自压力和180-260℃的反应温度下合成富碳产物的过程。与传统的热化学转化方法相比，HTC 温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，保留了大量废弃生物质中的氧、氮元素，水热炭化物表面具有丰富的含氧官能团，因而亲水性及金属吸附性强。水热生物炭炭产率较高，进而产生较高的总能量，但炭化率较低，芳香结构较少且生物稳定性差。因此，通过水热炭化技术利用农林废弃物生产生物炭，对于缓解资源浪费和解决环境污染等问题有着巨大的潜力。因为特殊的生成条件所导致的独特的物理化学结构，水热炭在吸附、制备多孔炭、催化剂载体和清洁能源等领域展现出了良好的应用前景。
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 (10)
1.一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，
步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；
步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180-260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1-10℃/min，反应釜内压力保持为4-10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5-10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥后得到原始水热生物炭；将制得的原始水热炭在自然状态下放置1-4周，进行陈化；
步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1-2h，然后升温至70℃保持1-2h，继续升温至120℃保持3-12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2-3次，晾干，得到改良的水热生物炭。
2.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，原始材料为废弃的土生农作物和/或水生植物残体、林业副产物，其中土生农作物为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或多种；所述水生植物为水葫芦、黑麦草、水花生、水芹中的一种或多种；所述林业副产物为锯末、树木残体中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，土生农作物和水生植物破碎为长度0.1-2 cm的碎块。
4.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，溶剂为水，原始材料和溶剂的固液比为1:5-1:10。
5.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，炭基材料沥水后，烘干或晾干得到原始水热生物炭。
6.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中柠檬酸溶液浓度为0.4-0.7 mol/L，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100 m2/g。
7.一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，其特征在于，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。
8.根据权利要求7所述的缓解稻田氨挥发排放的水热生物炭的应用，其特征在于，改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层2-20cm的水稻土混合。
9.根据权利要求7所述的缓解稻田氨挥发排放的水热生物炭的应用，其特征在于，改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d或与其它基肥混合后一起施加。
10.根据权利要求7所述的缓解稻田氨挥发排放的水热生物炭的应用，其特征在于，改良的水热生物炭的施加量为0.1%-3%（w/w）。
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