CN108300498A

CN108300498A - 一种提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法

Info

Publication number: CN108300498A
Application number: CN201810046575.5A
Authority: CN
Inventors: 张艺; 赵远; 杨建红; 胡茜; 荆玉琳; 符菁; 张徐洁; 王艺璇; 张芸
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2018-01-13
Filing date: 2018-01-13
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明公开了一种可以提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法，属于废弃物利用技术领域。本发明提供生物炭制备方法：a先将回收的水稻秸秆多次水洗去除黏附物质，经晾晒粉碎后过筛；b称取1kg过筛的水稻秸秆粉末在250℃马弗炉中炭化1h；c将温度分别设为300℃、500℃、700℃，采用间歇式充入氮气在马弗炉中继续热解3～4h；d冷却至室温后取出产物，用HCl溶液处理；e过滤、洗涤、烘干，即可得到水稻秸秆生物质炭。使用时，均匀撒入田中，耕耘土壤后种植水稻。在水稻生长过程中对土壤脲酶、磷酸酶、FDA水解酶较未施用生物炭可以提高52.5～102.8％，同时产量提高20～25％。本发明具有成本低廉、操作简便等优点，水稻秸秆的再利用具有极好的经济效益和社会效益。

Description

一种提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法

技术领域

本发明公开了一种可以提高酶活性的水稻秸秆生物炭的制备方法，属于废弃物利用技术领域。

背景技术

近年来，随着秸秆就地燃烧、肥料施用量的增加，造成土壤污染，影响微生物的生长和土壤酶活性，进而给人类的生态环境都带来了严重的危害。我国每年秸秆总量高达7亿t，但农村秸秆利用率仅达到28.7％，大部分都废弃或直接烧掉。

生物炭是作物稻秆在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质。目前国内外认为生物炭由于具有高芳香烃结构、孔隙结构及对水肥吸附的作用，添加土壤中后普遍能对土壤性质、生化理化方面起到积极的效果，而这一特性在土壤利用方面能带来很大的益处。同时有研究表明，生物炭可以改善重金属污染土壤。另外，生物炭施用土壤后可以减少温室气体CH₄、CO₂和NO₂，增加土壤碳库储量。因此生物质炭为全球的可持续农业生态系统发展提供了一个前所未有的绿色革命的契机。

生物炭施用稻田后为土壤微生物提供良好的栖息环境和营养。土壤中的微生物是参与土壤养分转化与腐殖质形成过程的必要物质，而土壤酶活性能代表土壤中物质代谢的旺盛程度，并且能很好地反映出土壤微生物的活性。同时土壤微生物量及其酶活性较其他土壤性质可以很好地判断土壤中现有的有机质状况和相应的培肥效果，从而更好地改善原有的施肥管理措施。

本研究拟采用水稻秸秆制备而成的生物质炭施用于水稻田中，研究3种不同温度(300℃、500℃、700℃)制备的生物炭对水稻生长时期土壤微生物酶活性的变化，通过测定生物炭施加前后的土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、FDA水解酶、过氧化氢酶的含量，分析不同裂解温度下的生物炭对土壤酶活性的影响，从而更好地选择生物炭类型。

发明内容

本发明目的在于提供一种水稻秸秆生物炭的制备方法，以提高土壤酶活性，主要解决的技术问题：我国农村秸秆资源完全处于高消耗、高污染、低产出的状况，相当多的一部分农作物秸秆被弃置或者进行焚烧，没有得到合理开发利用，造成环境污染，并对人类健康和安全造成了严重危害，提出了一种以废弃水稻秸秆为原料，通过马弗炉制备成生物炭，通过施用于水稻田提高土壤酶活性。本发明具有成本低廉、高稳定化、操作简便等优点，提高了生物质资源的利用，解决了秸秆难降解、再利用的问题，适合大规模推广应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

(1)取1kg回收的的水稻秸秆，利用人工去除秸秆上的杂物，用1mol/L的NaOH溶液浸泡30～60min后，用清水多次水洗去除秸秆上的黏附物质，然后在阳光下进行晾晒，直至秸秆含水量为5～10％，之后将其投入粉碎机，得到的秸秆粉末过0.1mm目筛；

(2)马弗炉以20℃/min升温到250℃，然后将过筛后的秸秆粉末放置于坩埚并在炉中炭化30～90min，进一步去除秸秆中的挥发分；

(3)继续在马弗炉中裂解，温度分别设为300℃、500℃、700℃，待温度达到以后以40～60mL/min的速度通入氮气，每通入1h氮气后关掉气阀，间隔1h继续通入，设置热解时间为3～4h；

(4)待热解结束，在3min内急冷至150～180℃，保持该温度45～60min，冷却至室温后取出秸秆粉末，用配置的500mL 1.5mol/L的HCl溶液处理12h，进一步去除秸秆中的灰分；

(5)过滤(4)中的产物，用去离子水进行反复冲洗，直到洗涤液呈中性，最后在烘箱中烘干至恒重即可得到不同温度裂解的水稻秸秆生物炭，烘箱设置烘箱温度为100～120℃。

作为优选的技术方案：过滤时采用0.8μm滤膜。采用较细的孔径，可以滤除绝大部分杂质，利于生物炭有更好的性质，如微孔的形成和营养元素的富集存留。本发明的应用方法：将本发明制得的水稻秸秆生物炭均匀撒入未种植的水稻田中，其中撒入量为每公顷8～10t，施撒之后对土壤进行翻耕，待生物炭施入20～40天后种植水稻，即可。在水稻整个生长期间，生物炭的施用不仅提高了土壤酶活性，同时还使农作物的产量提高20～25％，充分利用了废弃的水稻秸秆，实现了资源的循环利用；另外，该法成本较低，具有很好的经济效应。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用农村废弃的水稻秸秆为原料制备生物炭，实现资源循环利用，降低成本；

(2)操作简便，易于生产，不会造成额外的环境危害，提高秸秆的利用率；

(3)制成的水稻秸秆生物炭能更好的增加土壤有机质、营养元素和改良土壤，使土壤中的脲酶、磷酸酶、FDA水解酶较未施用生物炭有明显的提高，特别是在水稻分蘖期时更加明显，分别提高81.2～95.3％、88,5～102.8％、52.5～67.5％，蔗糖酶提高8.9～12.6％，过氧化氢酶没有显著性变化，同时水稻产量提高20～25％；

(4)使用本发明特有的裂解过程，能减少营养元素的流失，更好的满足农作物生长的需要。

具体实施方式

首先取1kg回收的的水稻秸秆，利用人工去除秸秆上的杂物，将其在1mol/L的NaOH溶液浸泡30～60min，用清水多次水洗去除秸秆上的黏附物质，然后在阳光下进行晾晒，直至秸秆含水量为5～10％，之后将其投入粉碎机，得到的秸秆粉末过0.1mm目筛；接着马弗炉以20℃/min升温到250℃，将过筛后的秸秆粉末放置于坩埚并在炉中炭化30～90min，进一步去除秸秆中的挥发分；继续在马弗炉中裂解，温度分别设为300℃、500℃、700℃，待温度达到以后以40～60mL/min的速度通入氮气，每通入1h氮气后关掉气阀，间隔1h继续通入，设置热解时间为3～4h；待热解结束，在3min内急冷至150～180℃，保持该温度45～60min，冷却至室温后取出秸秆粉末，用配置的500mL 1.5mol/L的HCl溶液处理12h，进一步去除秸秆中的灰分；最后过滤产物，用去离子水进行反复冲洗，直到洗涤液呈中性，在烘箱中烘干至恒重即可得到不同温度裂解的水稻秸秆生物炭，烘箱设置烘箱温度为100～120℃。

将制得的水稻秸秆生物炭均匀撒入未种植的水稻田中，其中撒入量为每公顷8～12t，施撒之后对土壤进行翻耕，待生物炭施入20～40天后种植水稻，即可。在水稻整个生长期间，生物炭的施用不仅提高了土壤酶活性，特别是在水稻分蘖期时更加明显，分别提高81.2～95.3％、88,5～102.8％、52.5～67.5％，蔗糖酶提高8.9～12.6％，过氧化氢酶没有显著性变化，同时还使农作物的产量提高20～25％，充分利用了废弃的水稻秸秆，实现了资源的循环利用；另外，该法成本较低，具有很好的经济效应。

实施例1：

首先取1kg回收的的水稻秸秆，利用人工去除秸秆上的杂物，将其在1mol/L的NaOH溶液浸泡30min，用清水多次水洗去除秸秆上的黏附物质，然后在阳光下进行晾晒，直至秸秆含水量为5％，之后将其投入粉碎机，得到的秸秆粉末过0.1mm目筛；接着马弗炉以20℃/min升温到250℃，将过筛后的秸秆粉末放置于坩埚并在炉中炭化30min，进一步去除秸秆中的挥发分；继续在马弗炉中裂解，温度设为300℃，待温度达到以后以40mL/min的速度通入氮气，每通入1h氮气后关掉气阀，间隔1h继续通入，设置热解时间为3h；待热解结束，在3min内急冷至150℃，保持该温度45min，冷却至室温后取出秸秆粉末，用配置的500mL1.5mol/L的HCl溶液处理12h，进一步去除秸秆中的灰分；最后过滤产物，用去离子水进行反复冲洗，直到洗涤液呈中性，在烘箱中烘干至恒重即可得到300℃裂解的水稻秸秆生物炭，烘箱设置烘箱温度为100℃。

将制得的水稻秸秆生物炭均匀撒入未种植的水稻田中，其中撒入量为每公顷8t，施撒之后对土壤进行翻耕，待生物炭施入20天后种植水稻，即可。在水稻整个生长期间，生物炭的施用不仅提高了土壤酶活性，特别是在水稻分蘖期时更加明显，分别提高81.2％、88,5％、52.5％，蔗糖酶提高8.9％，过氧化氢酶没有显著性变化，同时还使农作物的产量提高20％，充分利用了废弃的水稻秸秆，实现了资源的循环利用；另外，该法成本较低，具有很好的经济效应。

实施例2：

首先取1kg回收的的水稻秸秆，利用人工去除秸秆上的杂物，将其在1mol/L的NaOH溶液浸泡45min，用清水多次水洗去除秸秆上的黏附物质，然后在阳光下进行晾晒，直至秸秆含水量为8％，之后将其投入粉碎机，得到的秸秆粉末过0.1mm目筛；接着马弗炉以20℃/min升温到250℃，将过筛后的秸秆粉末放置于坩埚并在炉中炭化60min，进一步去除秸秆中的挥发分；继续在马弗炉中裂解，温度设为500℃，待温度达到以后以50mL/min的速度通入氮气，每通入1h氮气后关掉气阀，间隔1h继续通入，设置热解时间为3.5h；待热解结束，在3min内急冷至170℃，保持该温度50min，冷却至室温后取出秸秆粉末，用配置的500mL1.5mol/L的HCl溶液处理12h，进一步去除秸秆中的灰分；最后过滤产物，用去离子水进行反复冲洗，直到洗涤液呈中性，在烘箱中烘干至恒重即可得到500℃裂解的水稻秸秆生物炭，烘箱设置烘箱温度为110℃。

将制得的水稻秸秆生物炭均匀撒入未种植的水稻田中，其中撒入量为每公顷10t，施撒之后对土壤进行翻耕，待生物炭施入30天后种植水稻，即可。在水稻整个生长期间，生物炭的施用不仅提高了土壤酶活性，特别是在水稻分蘖期时更加明显，分别提高95.3％、102.8％、67.5％，蔗糖酶提高12.6％，过氧化氢酶没有显著性变化，同时还使农作物的产量提高25％，充分利用了废弃的水稻秸秆，实现了资源的循环利用；另外，该法成本较低，具有很好的经济效应。

实施例3

首先取1kg回收的的水稻秸秆，利用人工去除秸秆上的杂物，将其在1mol/L的NaOH溶液浸泡60min，用清水多次水洗去除秸秆上的黏附物质，然后在阳光下进行晾晒，直至秸秆含水量为10％，之后将其投入粉碎机，得到的秸秆粉末过0.1mm目筛；接着马弗炉以20℃/min升温到250℃，将过筛后的秸秆粉末放置于坩埚并在炉中炭化90min，进一步去除秸秆中的挥发分；继续在马弗炉中裂解，温度设为700℃，待温度达到以后以60mL/min的速度通入氮气，每通入1h氮气后关掉气阀，间隔1h继续通入，设置热解时间为4h；待热解结束，在3min内急冷至180℃，保持该温度60min，冷却至室温后取出秸秆粉末，用配置的500mL1.5mol/L的HCl溶液处理12h，进一步去除秸秆中的灰分；最后过滤产物，用去离子水进行反复冲洗，直到洗涤液呈中性，在烘箱中烘干至恒重即可得到700℃裂解的水稻秸秆生物炭，烘箱设置烘箱温度为120℃。

将制得的水稻秸秆生物炭均匀撒入未种植的水稻田中，其中撒入量为每公顷12t，施撒之后对土壤进行翻耕，待生物炭施入40天后种植水稻，即可。在水稻整个生长期间，生物炭的施用不仅提高了土壤酶活性，特别是在水稻分蘖期时更加明显，分别提高92.7％、99.1％、60.8％，蔗糖酶提高11.2％，过氧化氢酶没有显著性变化，同时还使农作物的产量提高24％，充分利用了废弃的水稻秸秆，实现了资源的循环利用；另外，该法成本较低，具有很好的经济效应。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定。在不脱离本发明的设计精神的前提下，本领域普通工程的技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法，其特征在于：过滤时采用0.8μm滤膜。

3.根据权利要求1所述的一种提高酶活性的水稻秸秆生物炭制备方法，其特征在于：本研究拟采用水稻秸秆在不同条件下制备的生物炭施用于水稻田中，结合土壤酶活性前后的变化以及产量的影响，筛选出更好的生物炭类型。