CN108262022B - 一种改性生物炭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性生物炭的制备方法,利用甘蔗渣作为原材料,不仅将甘蔗渣进行了资源化利用,而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小,比表面积更大、微孔结构更突出,不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内,还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子,同时减少土壤中镉和砷的含量。此外,本发明的改性生物炭组分简单、成本低,不仅含有植物所需的营养元素,还含有固化镉和砷的组分,可以减少植物对镉和砷的吸收,提高植物的产量。
Description
技术领域
本发明涉及环保工程技术领域,尤其涉及一种改性生物炭及其制备方法。
背景技术
重金属污染土壤中,砷镉复合污染问题突出,大约六分之一的稻田受到不同程度的砷镉复合污染,并且污染面积逐年上升。矿山开采和冶炼是土壤砷镉复合污染主要途径,废矿渣和尾矿砂中通常含有高浓度的砷和镉废矿石或尾砂,经自然风化和雨水侵蚀后,砷和镉会向土壤中释放,从而使土壤遭受严重的砷镉复合污染。过高的镉和砷会引起土壤生物学特性逐渐变异,导致土壤质量下降。并且土壤中砷和镉的生物迁移性和毒性较强,极易被作物吸收并积累,直接影响作物的品质和产量。并通过食物链对人类健康构成严重的危害。因此,如何修复砷镉复合污染土壤已成为一个亟待解决的重大问题。
近年来生物炭材料在重金属污染修复方面的应用逐步得到重视。生物炭原料来源广泛,具有大量的微孔结构和巨大的比表面积,吸附能力较强,其吸附行为可以影响重金属在环境中的迁移、转化、生物生态效应以及受污染的环境介质的控制和修复等过程。生物炭表面含有大量的羧基、羟基和酸酐等多种官能基团以及负电荷,比表面积较大。施入到土壤后,生物炭能吸附重金属并将其固定在表面,显著降低大多数重金属的生物有效性,同时能改善土壤物理、化学和生物特性,使土壤肥力和作物产量均有一定程度的提高。
但是,生物炭材料可显著提高土壤中砷的流动性与有效性。有研究报道,生物炭能够降低土壤滤出液中镉和锌的浓度(分别降低300倍和45倍),但滤出液中砷的浓度明显提商,生物炭提高了砷的移动性。另外有研究报道,添加生物炭能改善水稻根际微环境和促进根表铁膜的形成,水稻根中Cd、Zn和Pb的浓度能分别下降98%、83%和72%,但是,砷的浓度则增加了327%。因此,如何改善生物炭的组成与性质,提高其吸附固定砷的能力,实现土壤砷镉的有效性的同时降低,是极富挑战性同时也是具有重大环境意义的工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种改性生物炭及其制备方法与使用方法,通过对生物炭进行改性,不仅能降低土壤中砷的流动性与有效性,同时还可以降低土壤中砷的流动性与有效性,还可以降低植物中镉和砷的含量,提高植物的产量。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种改性生物炭的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将步骤S1中的甘蔗粉末加入到铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护气体,以每分钟升温15℃-30℃,使得温度升高到300℃-500℃并保持1h-3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中,震荡1-3小时,得到生物炭混合物;
S5:将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
作为上述方案的改进,步骤S2中铁和甘蔗粉末的质量比为1:1.25-1:40。
作为上述方案的改进,步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。
作为上述方案的改进,所述催化剂为铂和钯。
作为上述方案的改进,步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。
作为上述方案的改进,所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和偏硅酸钠溶液中的至少一种。
作为上述方案的改进,步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。
作为上述方案的改进,步骤S3中氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。
作为上述方案的改进,步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。
相应地,本发明还提供了一种改性生物炭,所述改性生物炭采用上述的方法制备所得。
实施本发明,具有如下有益效果:
1、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法,利用甘蔗渣作为原材料,不仅将甘蔗渣进行了资源化利用,而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小,比表面积更大、微孔结构更突出,不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内,还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子,同时减少土壤中镉和砷的含量。此外,本发明的改性生物炭组分简单、成本低,不仅含有植物所需的营养元素,还含有固化镉和砷的组分,可以减少植物对镉和砷的吸收,提高植物的产量。
2、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法,将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液,所得到的改性生物炭不仅能够提高植物的产品,还能够提高生物炭吸附固定砷的能力,实现土壤砷镉的有效性的同时降低。
3、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法,通过向气氛炉内通入保护气体,不仅可以减少甘蔗渣的碳化时间,还可以防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应。此外,将生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中,使得氮、磷、钾、硅离子能够吸附到生物炭初品中,然后将壳聚糖和生物淀粉加入到生物炭混合物中,可以将铁、氮、磷、钾、硅等营养离子包裹在生物炭内,使得铁、氮、磷、钾、硅等营养离子能后缓慢地释放到土壤中,减少肥料和生物炭的用量,避免氮、磷、钾离子快速地释放到土壤中,造成营养大量氮、磷、钾离子流失而造成水体富营养化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种改性生物炭的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将步骤S1中的甘蔗粉末加入到铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护气体,以每分钟升温15℃-30℃,使得温度升高到300℃-500℃并保持1h-3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中,震荡1-3小时,得到生物炭混合物;
S5:将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
经过榨糖之后剩下的甘蔗渣,含有大量的纤维素、半纤维素和木质素。其中,甘蔗渣纤维长度约为0.65-2.17mm,宽度是21-28μm。其纤维形态虽然比不上木材和竹子,但是比稻、麦草纤维则略胜一筹。本发明提供的改性生物炭,利用甘蔗渣作为原材料,不仅将甘蔗渣进行了资源化利用,而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小,比表面积更大、微孔结构更突出,不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内,还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子,同时减少土壤中镉和砷的含量。此外,本发明的改性生物炭组分简单、成本低,不仅含有植物所需的营养元素,还含有固化镉和砷的组分,可以减少植物对镉和砷的吸收,提高植物的产量。
本发明提供的改性生物炭吸附有大量硅,其中,硅不仅能够提高植物的产品,还能够提高生物炭吸附固定砷的能力,实现土壤砷镉的有效性的同时降低。
本发明的改性生物炭制备方法简单,其中,通过向气氛炉内通入保护气体,不仅可以减少甘蔗渣的碳化时间,还可以防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应。此外,将生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中,使得氮、磷、钾、硅离子能够吸附到生物炭初品中,然后将壳聚糖和生物淀粉加入到生物炭混合物中,可以将铁、氮、磷、钾、硅等营养离子包裹在生物炭内,使得铁、氮、磷、钾、硅等营养离子能后缓慢地释放到土壤中,减少肥料和生物炭的用量,避免氮、磷、钾离子快速地释放到土壤中,造成营养大量氮、磷、钾离子流失而造成水体富营养化。
需要说明的是,步骤S2中铁和甘蔗粉末的质量比为1:1.25-1:40。当铁和甘蔗粉末的质量比小于1:1.25时,过多的铁吸附到甘蔗粉末上,不利于生物炭进行改性;当铁和甘蔗粉末的质量比大于1:40时,使得吸附到改性生物炭中铁含量过少,减弱改性生物炭对土壤的修改能力,降低改性生物炭固化镉和砷的能力。
为了减少甘蔗粉末的碳化时间,步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。其中,所述催化剂为铂和钯。具体的,在甘蔗粉末碳化的过程中,所述催化剂起到催化的作用,加快甘蔗粉末碳化,缩短碳化时间。
具体的,催化剂不仅能够促进铁离子快速地吸附到甘蔗渣粉中,还可以加快甘蔗混合物的碳化时间,使得甘蔗混合物碳化得更加充分,使得改性生物炭的粒径小,比表面积更大、微孔结构更突出。
步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。优选的,所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和偏硅酸钠溶液中的至少一种。当KNO3溶液的浓度小于40mg/L时,浓度太低,氮和钾离子不能充分吸附到生物炭初品中;当KNO3溶液的浓度大于60mg/L时,过多的氮和钾离子吸附到生物炭初品中,从而抑制其他离子的吸附。当KH2PO4溶液的浓度小于40mg/L时,浓度太低,钾、磷离子不能充分吸附到生物炭初品中;当KH2PO4溶液的浓度大于60mg/L时,过多的钾、磷离子吸附到生物炭初品中,从而抑制其他离子的吸附。当硅酸盐溶液的浓度小于40mg/L时,浓度太低,硅离子不能充分吸附到生物炭初品中;当硅酸盐溶液的浓度大于60mg/L时,过多的硅离子吸附到生物炭初品中,从而抑制其他离子的吸附。优选的,所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和片硅酸钠中溶液中的至少一种。硅酸钠、硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠属于水溶性硅肥,能有效地溶解到土壤中,从而有效地固化土壤中的砷,且能够快速地置换出来,便于改性生物炭吸收土壤中的砷。
为了减少甘蔗粉末的碳化时间,同时防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应,步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。优选的,氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。当氮气和氧气的体积比小于5:1时,氧气的含量过多,会增加碳化的时间;当氮气和氧气的体积比大于30:1时,氧气的含量过少,使得甘蔗粉末过多碳化,不利于形成改性生物炭,且吸附在甘蔗粉末中的铁也容易进行碳化。
其中,步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。
相应地,本发明还提供了一种改性生物炭,所述改性生物炭采用上述的方法制备所得。
下面以具体实施例进一步阐述本发明
实施例1
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有12.08克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为30:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例2
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有24.15克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为25:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持2.7h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钾溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例3
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有48.31克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为20:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持2.3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的偏硅酸钠溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例4
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有96.61克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为15:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持2h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的过二硅酸钠溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例5
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有193.22克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为10:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持1.8h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠和硅酸钾混合溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例6
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有386.44克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为5:1,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持1.2h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠、硅酸钾和过二硅酸钠混合溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例7
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有12.08克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为30:1,以每分钟升温20℃,使得温度升高到400℃并保持3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括45mg/L的KNO3溶液、45mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠、硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液;
S5:将壳聚糖和红薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例8
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有24.15克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为25:1,以每分钟升温20℃,使得温度升高到400℃并保持2.7h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括50mg/L的KNO3溶液、50mg/L的KH2PO4溶液和50mg/L的硅酸钠、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液;;
S5:将壳聚糖和马铃薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例9
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有48.31克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为20:1,以每分钟升温25℃,使得温度升高到400℃并保持2.3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括55mg/L的KNO3溶液、55mg/L的KH2PO4溶液和55mg/L的偏硅酸钠溶液;
S5:将壳聚糖和木薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例10
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有96.61克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为15:1,以每分钟升温25℃,使得温度升高到450℃并保持2h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括45mg/L的KNO3溶液、50mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠和硅酸钾混合溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例11
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有193.22克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为10:1,以每分钟升温30℃,使得温度升高到450℃并保持1.1h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括50mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠和过二硅酸钠混合溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
实施例12
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有386.44克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气和氧气,其中,氮气和氧气的体积比为5:1,以每分钟升温30℃,使得温度升高到500℃并保持1h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括60mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和60mg/L的硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液;
S5:将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
对比实施例1
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有50克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入氮气,以每分钟升温15℃,使得温度升高到300℃并保持8h,得到生物炭。
对比实施例2
一种改性生物炭的制备方法,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗粉末;
S2:将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗混合物,其中,铁溶液中含有200克的FeCl3·H2O;
S3:将步骤S2中的甘蔗混合物烘干,并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护氮气,以每分钟升温30℃,使得温度升高到450℃并保持6h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾混合溶液中,震荡1小时,得到生物炭混合物,其中,氮磷钾硅混合溶液包括60mg/L的KNO3溶液和40mg/L的KH2PO4溶液,搅拌均匀并进行烘干,得到生物炭。
将实施例1-12制备所得的改性生物炭和对比实施例1和2制备所得的生物炭进行重金属污染土壤的修复试验。
土壤采集自湖南省株洲市攸县一受矿山开采污染农田表层0~20cm;土壤经自然风干后过2mm筛,土壤基本理化性质如表1所示。每盆称取10kg土壤放入塑料桶内(直径35cm,高40cm)后,进行如下处理:
T1:10公斤土+100g实施例1制备的改性生物炭;
T2:10公斤土+100g实施例2制备的改性生物炭;
T3:10公斤土+100g实施例3制备的改性生物炭;
T4:10公斤土+100g实施例4制备的改性生物炭;
T5:10公斤土+100g实施例5制备的改性生物炭;
T6:10公斤土+100g实施例6制备的改性生物炭;
T7:10公斤土+100g实施例7制备的改性生物炭;
T8:10公斤土+100g实施例8制备的改性生物炭;
T9:10公斤土+100g实施例9制备的改性生物炭;
T10:10公斤土+100g实施例10制备的改性生物炭;
T11:10公斤土+100g实施例11制备的改性生物炭;
T12:10公斤土+100g实施例12制备的改性生物炭;
T13:10公斤土+100g对比实施例1制备的生物炭;
T14:10公斤土+100g对比实施例2制备的生物炭;
T15:10公斤土+5g偏硅酸钾;
T16:10公斤土+15g偏硅酸钾+5g铁粉;
以不添加任何调理剂为对照(CK)。
每个处理3个重复,放置于玻璃温室中。施加各种改性生物炭后5天种植水稻;在水稻生长30天后,采集土壤样品,分析其有效态重金属Cd、As含量;在水稻收获时收集水稻样品,分析籽粒Cd、As含量。
表1盆栽供试土壤基本理化性质
测试指标 | 含量 |
pH | 6.82 |
总As(mg·kg<sup>-1</sup>) | 328.9 |
总Cd(mg kg<sup>-1</sup>) | 3.54 |
阳离子交换量(cmol·kg<sup>-1</sup>) | 19.1 |
TOC(g·kg<sup>-1</sup>) | 38.2 |
如表2所示,不同改性生物炭处理后盆栽水稻土有效态Cd和As均出现不同程度的降低。其中以实施例11制备的改性生物炭对土壤有效态As、Cd降低的幅度最大,分别达到80.11%和84.10%。而且本发明制备的12种改性生物炭均可以有效的同时钝化土壤重金属As、Cd(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12处理后有效态As、Cd均显著低于对照);而对比实施例1和对比实施例2制备的生物炭只能钝化少量的Cd,而单独偏硅酸钾处理(T15)对2种重金属钝化效果均不理想,偏硅酸钾加铁粉处理(T16)只能钝化少量的Cd。对应的,只有施用本发明的改性生物炭后盆栽水稻糙米无机As和总Cd才会同时大幅度下降(参见表3);其中以实施例11制备的改性生物炭对降低稻米无机As和总Cd效果最佳,分别达到80.88%和82.93%。这说明与普通生物炭相比,本发明技术制备的改性生物炭可以实现同时高效钝化土壤As、Cd复合污染,降低水稻对这2种重金属的吸收积累。对应的,施用本发明的改性生物炭后盆栽水稻的干重同时大幅度增加(参见表4);其中以实施例11和12制备的改性生物炭对增加水稻干重的效果最佳,达到17.98%。这说明与普通生物炭相比,本发明技术制备的改性生物炭不仅可以高效钝化土壤As、Cd复合污染,降低水稻对这2种重金属的吸收积累,还可以增加水稻的产量。
表2不同改性生物炭处理对盆栽土壤有效重金属As、Cd含量的影响
表3不同改性生物炭处理对盆栽水稻糙米重金属As、Cd含量的影响
表4不同改性生物炭处理对盆栽水稻产量的影响
组别 | 水稻干重(g) | 增加比例(%) |
CK | 356 | 0 |
T1 | 402 | 12.92 |
T2 | 395 | 10.96 |
T3 | 496 | 39.33 |
T4 | 406 | 14.04 |
T5 | 407 | 14.33 |
T6 | 410 | 15.17 |
T7 | 405 | 13.76 |
T8 | 411 | 15.45 |
T9 | 418 | 17.42 |
T10 | 420 | 17.98 |
T11 | 420 | 17.98 |
T12 | 418 | 17.42 |
T13 | 374 | 5.06 |
T14 | 369 | 3.65 |
T15 | 357 | 0.28 |
T16 | 359 | 0.84 |
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种改性生物炭的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm,得到甘蔗渣粉末;
S2:将步骤S1中的甘蔗渣粉末加入到铁溶液中,并用搅拌机进行搅拌,得到甘蔗渣混合物;
S3:将步骤S2中的甘蔗渣混合物烘干,并将烘干后的甘蔗渣混合物放置在气氛炉内进行碳化,其中,向气氛炉内通入保护气体,以每分钟升温15℃-30℃,使得温度升高到300℃-500℃并保持1h-3h,得到生物炭初品;
S4:将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中,震荡1-3小时,得到生物炭混合物;
S5:将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中,搅拌均匀,并烘干得到改性生物炭。
2.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。
3.根据权利要求2所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,所述催化剂为铂和钯。
4.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。
5.根据权利要求4所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,所述硅酸盐溶液为硅酸钠溶液、硅酸钾溶液中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。
7.根据权利要求6所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,步骤S3中氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。
8.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法,其特征在于,步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。
9.一种改性生物炭,所述改性生物炭采用权利要求1-8中任一所述的方法制备所得。
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