CN109006357A - 一种生物质废弃物基智慧土壤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农业技术领域，特别是一种生物质废弃物基智慧土壤及其制备方法。本发明的效果如下：质轻，其密度低于0.73g/cm3，非常适合立体种植。本智慧土壤质轻的主要原因是大量使用了生物质废弃物秸秆，在高温糊化后秸秆变得蓬松，使得整体材料的密度大幅度降低。吸水性好，该智慧土壤对天然降水及自来水的吸附量不低于80 g/g，较好的吸水能力主要来自于高温糊化的秸秆，山梨酸及磺酸基团。保水性好，在吸足水分后，15天之后的含水量仍然保持在30%以上，良好的保水性是因为聚合的山梨酸及2‑羟基‑3‑烯丙氧基丙磺酸钠聚合物链之间形成的三维网状结构，锁住了大量的水分。

Description

一种生物质废弃物基智慧土壤及其制备方法
技术领域
本发明涉及农业技术领域，特别是一种生物质废弃物基智慧土壤及其制备方法。
背景技术
截止2016年我国人口总数量接近14亿，是一个名副其实的人口大国。有充足的粮食，水果，蔬菜是我国稳定健康发展的基础条件，这些东西均需要种植得到，因此土地资源是一个非常重要的生产要素。截至2014年底，我国实际耕地面积约20.26亿亩，位居世界第四，仅次于美国、俄罗斯和印度。虽然总体看着不错但是我国人均耕地面积仅1.48亩，远低于世界发达国家，不及世界人均耕地的44％，有666个县低于联合国粮农组织人均耕地0.8亩的警界线。并且我国耕地资源分布严重不均匀，在西北广大的土地处于半干旱、干旱地区，耕地质量严重偏低，后备耕地缺少。
要彻底解决我国粮食问题，满足人民日益增长的对高质量生活的需求，如高质量水果的需求，多品种蔬菜的需求，需要将我国西部地区广大的贫瘠土地利用。截至2014年，我国荒漠化土地面积261.16万平方公里，沙化土地面积172.12万平方公里，这些贫瘠的土壤大部分在我国新疆、内蒙古、西藏、甘肃及青海等地区。如果能够有效地将这些贫瘠的土地利用，则能够为我国人民提供大量的水果，蔬菜，可以腾出农业大省大部分耕地用于种植主要粮食作物，而且也解决了广大西部地区当地人民的低收入问题，为国家实现彻底脱贫致富提供支持。
戈壁农业是本世纪初以来在非耕地设施农业生产实践中应运而生的，其核心内容是利用有机质栽培技术，在非耕地发展设施种植业。除此之外，还可以在非耕闲置土地上发展现代养殖业。因此，戈壁农业是在戈壁滩、砂石地、盐碱地、沙化地、滩涂地等不适宜耕作的闲置国土上，运用现代设施农业集成生产技术，发展以有机质无土栽培、隔离条件下特色养殖为主的新型农业，戈壁农业是目前甘肃省大力发展的高科技农业。在甘肃省多个地州市已全面推广，但是目前甘肃省的戈壁农业发展也面临着一些制约因素：一是缺乏科学的统一规划；二是水资源短缺，生态环境脆弱成为河西戈壁农业开发面临的共性问题；三是建设资金不足。一方面戈壁滩、沙漠边缘的非耕地，水电路输送线长，投资大；另一方面，戈壁农业建设一次性投入较髙，群众自筹资金比较困难。这些困难归根结底还是戈壁农业的投入太高，其中包括大棚设施的建设，浇灌水资源的获取，温差问题，土壤问题等。这些问题中，最关键的是缺少能够长期使用的，高性能，低成本的新型种植土壤。在戈壁农业中，新型种植土壤需要在大棚中使用，需要具备以下功能：质轻，保水，透气，高营养，低成本，可塑性强等特点。
戈壁农业用新型土壤代替传统土壤，解决了在盐碱地、戈壁滩、荒漠地等非耕地上进行生产缺土的问题，同时减少了农药、化肥施用量，比普通大棚节肥30％、节药67％以上。配套膜下滴灌及微喷灌，用水量仅为大田用水量的四分之一，大幅度地提高土地资源、水资源、光热资源利用率和劳动生产率。戈壁农业不但实现了周年四季生产，大幅度提高了产量，而且采用的基质材料是经过发酵、腐熟和消毒的有机基质，且远离主要农区，可有效减少土传病害的发生，产品可达到绿色甚至有机标准。戈壁农业的健康发展，能够为种植业探索出一套标准化的工厂种植模式，能够彻底解决西部地区种植、收入、环境等问题。
生物质废弃物是制备新型种植土壤的最佳原料之一。甘肃省农村生物质废弃物主要是各种植物秸秆和禽畜粪便。植物秸秆主要以玉米秸、麦秸和马铃薯副产品为主。农作物废物最大的污染是田间燃烧，随着农村经济的发展，农民收入的增加，农村中商品能源的比例不断增加，煤、液化石油气等已成为其主要用能。秸秆由于体积大，能效低，首先成为被替代的对象，全国每年约有20.5％的秸秆被弃于田间，直接在田中燃烧，产生大量的CO，CO2，SO2，NOx和烟尘等污染物，严重污染了大气环境，浓烟弥漫还影响到交通和航空运输事业的安全，甚至发生过多起焚烧秸秆导致高速公路关闭、民航停飞的事件，给人民健康和生活带来很大的影响，如果我们能够将这些废弃植物秸秆制备成有机质种植土壤，则能够实现变废为宝，又能增加农民收入。
关于禽畜粪便的再利用，也是一个非常棘手的问题。随着畜禽养殖业的发展，养殖废物的产量也逐年增加，目前我国的禽畜粪便达到8.5亿吨，大量的畜禽粪便和污水带来了土地负荷压力过大、土壤及水体污染、空气恶臭和疾病传播等一系列问题。养殖废物中化学需氧量含量高，并且含有大量的氮、磷等元素，成为导致地表水水质恶化和富营养化的重要原因之一。另外，养殖废物中含有氨、胺、硫化氢、吲哚、尿酸盐、致病菌及虫卵等臭味物质，它是造成空气污浊度升高、影响人类和牲畜健康的主要因素。养殖废物污染给我国生态环境造成了巨大的压力，养殖废物处理技术一直是国内外相关领域的研究重点。巧妙地将禽畜粪便经过改性应用于有机质土壤的制备，并运用于戈壁农业的发展，是一件利国利民的大事。
发明内容
本发明解决现有技术不足提供一种质轻、吸水性好、保水性好和透气性好的生物质废弃物基智慧土壤及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种生物质废弃物基智慧土壤，按如下重量份
生物质废弃物100份、水200-400份、山梨酸5-10份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠20-30份；
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成。
所述生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾0.5-2份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺0.5-2份。
所述生物质废弃物100份、水300份、山梨酸9份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠21份，在氮气保护下生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾1份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺1份。
一种生物质废弃物基智慧土壤制备方法，包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成；
B、糊化处理
将生物质废弃物在75～110℃下高温糊化3h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在95～130℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份50～70份、禽畜粪便10～20份、矿物粉混合颗粒5～10份市售生物质活性炭颗粒5～10份、腐殖酸1～5份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1～3毫米的固体颗粒，制得营养型智慧土壤。
所述步骤A中生物质废弃物的粒度为200目。
所述步骤B中将生物质废弃物在90℃下高温糊化3h。
所述步骤C中在120℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物。
本发明的有益效果为：
1.质轻，其密度低于0.73g/cm3，非常适合立体种植。本智慧土壤质轻的主要原因是大量使用了生物质废弃物秸秆，在高温糊化后秸秆变得蓬松，使得整体材料的密度大幅度降低。
2.吸水性好，该智慧土壤对天然降水及自来水的吸附量不低于80g/g，较好的吸水能力主要来自于高温糊化的秸秆，山梨酸及磺酸基团。
3.保水性好，在吸足水分后，15天之后的含水量仍然保持在30％以上，良好的保水性是因为聚合的山梨酸及2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠聚合物链之间形成的三维网状结构，锁住了大量的水分。
4.透气性好，本智慧土壤的孔隙率在70％左右，具有良好的透气性，保证在大棚中使用，植物不烂根。该功能主要是生物质废弃物与所添加的矿物质，生物质炭之间的协同作用形成。
附图说明
图1本发明的智慧土壤的结构示意图；
图2本发明的智慧土壤的红外吸收光谱；
图3本发明的智慧土壤的电镜扫描照片。
具体实施方案
一种生物质废弃物基智慧土壤，按如下重量份
生物质废弃物100份、水200-400份、山梨酸5-10份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠20-30份；
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成。
所述生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾0.5-2份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺0.5-2份。所述生物质废弃物100份、水300份、山梨酸9份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠21份，在氮气保护下生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾1份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺1份。
一种生物质废弃物基智慧土壤制备方法，包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成；
B、糊化处理
将生物质废弃物在75～110℃下高温糊化3h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在95～130℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份50～70份、禽畜粪便10～20份、矿物粉混合颗粒5～10份市售生物质活性炭颗粒5～10份、腐殖酸1～5份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1～3毫米的固体颗粒，制得营养型智慧土壤。
所述步骤A中生物质废弃物的粒度为200目。
所述步骤B中将生物质废弃物在90℃下高温糊化3h。
所述步骤C中在120℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物。
实施例1
一种生物质废弃物基智慧土壤，按如下重量份
生物质废弃物100份、水200份、山梨酸5份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠20份；
所述生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾0.5份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺0.5份。
一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成；
B、糊化处理
将生物质废弃物在75～110℃下高温糊化3h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在95℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份50份、禽畜粪便10份、矿物粉混合颗粒5份市售生物质活性炭颗粒5份、腐殖酸1份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1～3毫米的固体颗粒，制得智慧土壤。
实施例2
一种生物质废弃物基智慧土壤，按如下重量份
生物质废弃物100份、水400份、山梨酸10份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠30份；
所述生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾2份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺2份。一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成；
B、糊化处理
将生物质废弃物在110℃下高温糊化3h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在130℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份70份、禽畜粪便20份、矿物粉混合颗粒10份市售生物质活性炭颗粒10份、腐殖酸5份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1～3毫米的固体颗粒，制得智慧土壤。
实施例3
一种生物质废弃物基智慧土壤，按如下重量份生物质废弃物100份、水300份、山梨酸9份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠21份，在氮气保护下生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾1份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺1份；
一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成，生物质废弃物的粒度为200目；
B、糊化处理
将生物质废弃物在90℃下高温糊化3h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在120℃下聚合反应5h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份60份、禽畜粪便15份、矿物粉混合颗粒8份市售生物质活性炭颗粒6份、腐殖酸4份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1～3毫米的固体颗粒，制得智慧土壤。
本发明将2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠应用于有机质土壤的制备，通过原位聚合反应，将其接枝到生物质废弃物表面，并将山梨酸引入聚合物链段中，大大提高了有机质土壤的吸水性和保水性。为了证明本发明使用2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠与山梨酸共聚的优点。
本专利在其他因素不变的条件下将2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸用丙烯酸或丙烯酰胺替换，做了性能比较，丙烯酸和丙烯酰胺是目前主要用来制备保水剂的原料，具有代表性，发现在同样有机物用量的条件下，使用丙烯酸或丙烯酰胺作为接枝有机物的土壤其吸水性，保水性均不及2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸改性土壤的40％，且土壤的透气性严重降低。
图1为了证明2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠及山梨酸是接枝在生物质废弃物表面，而不是简单的物理吸附，在做红外光谱之前我们利用索氏提取的手段，使用乙醇、蒸馏水和三卤甲烷分别对该物质进行了提纯，每一步的提纯时间为12小时，移除了没有化学接枝到生物质废弃物表面的2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，山梨酸单体及仅仅是2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸的聚合链段。通过红外谱图可以看出，在1249cm-1为C＝O双键伸缩振动峰，在1055cm-1处为磺酸基的伸缩振动峰，说明2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸完全被接枝到生物质废弃物表面，成功合成了生物质废弃物接枝2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸。
图3中A为标尺200μm、B为标尺2μm为的扫描电镜照片，并利用扫描电镜能谱对材料的元素分析进行了分析，同样该物质在做微观形貌分析之前，也使用使用乙醇、蒸馏水和三卤甲烷分别对该物质进行了提纯，每一步的提纯时间为12小时，移除了没有化学接枝到生物质废弃物表面的2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，山梨酸单体及仅仅是2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸的聚合链段。通过扫描电镜照片我们可以看出，在生物质废弃物表面有一层有机物覆盖，内部存在大量的微孔，这对吸附及存储水和其他营养液是非常有利的。通过元素分析发现，该物质中含有0.6％硫元素，说明我们成功合成了生物质废弃物接枝2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸。
为了验证效果，设计对比实验，具体对比材料如下：
对比材料1：在其他条件不变的情况下，使用同样质量的丙烯酸替代2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸，所制备的材料；
对比材料2：在其他条件不变的情况下，使用同样质量的丙烯酰胺替代2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸，所制备的材料；
对比材料3：在其他条件不变的情况下，不使用山梨酸；
对比材料4：在其他条件不变的情况下，不使用2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠；
对比材料5：在其他条件不变的情况下，生物质废弃物未高温糊化；
对比材料6：在其他条件不变的情况下，不使用2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠及山梨酸。
表1为本发明智慧土壤与对比产品各项性能指标总结
表2不同土壤大棚种植辣椒比较
表3不同土壤大棚种植黄瓜比较
本智慧土壤与市售种植土壤，普通黄土种植比较，在种植实验中，我们选择了在大棚中种植辣椒和黄瓜。本比较实验的区别仅在于使用的土壤不同，其他施肥，浇水时间，日照等条件完全相同。
辣椒对水分要求严格，既不耐旱也不耐涝。植株本身需水量并不大，但由于根系不发达，吸收土壤水分的能力较弱，所以耐旱性较差。因此辣椒对种植土壤的选择性较强。
黄瓜根系浅，叶面积大，对土壤的水分，养分及通风要求非常严格，喜湿而不耐旱，又怕涝。若土壤通风性不好，容易烂根。

Claims (7)

1.一种生物质废弃物基智慧土壤，其特征在于按如下重量份
生物质废弃物100份、水200-400份、山梨酸5-10份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠20-30份；
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成。
2.根据权利要求1所述的一种生物质废弃物基智慧土壤，其特征在于所述生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾0.5-2份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺0.5-2份。
3.根据权利要求1所述的一种生物质废弃物基智慧土壤，其特征在于所述生物质废弃物100份、水300份、山梨酸9份和2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠21份，在氮气保护下生物质废弃物加入引发剂过硫酸钾1份，交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺1份。
4.根据权利要求1至4任一项所述的一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物质废弃物混合
将生物质废弃物由玉米秸秆、玉米棒芯、小麦秸秆、小麦糠、马铃薯秸秆、马铃薯淀粉废渣、稻草秸秆等其中的一种或几种混合组成；
B、糊化处理
将生物质废弃物在75~110℃下高温糊化3 h；
C、聚合反应
生物质废弃物中加入山梨酸、2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠，在氮气保护下，加入引发剂过硫酸钾、交联剂N-亚甲基双丙烯酰胺，在95~130℃下聚合反应5 h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物；
D、造粒
共聚物按重量份50~70份、禽畜粪便10~20份、矿物粉混合颗粒5~10份市售生物质活性炭颗粒5~10份、腐殖酸1~5份，所述矿物粉混合颗粒由凹凸棒石、蒙脱石、珍珠岩、膨润土、蛭石、蛋白石等其中的一种或几种混合组成；进行混合造粒得到直径1~3毫米的固体颗粒，制得生物质废弃物基智慧土壤。
5.根据权利要求4所述的一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，其特征在于所述步骤A中生物质废弃物的粒度为200目。
6.根据权利要求4所述的一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，其特征在于所述步骤B中将生物质废弃物在90℃下高温糊化3 h。
7.根据权利要求4所述的一种生物质废弃物基智慧土壤的制备方法，其特征在于所述步骤C中在120℃下聚合反应5 h得到生物质废弃物2-羟基-3-烯丙氧基丙磺酸钠-山梨酸共聚物。
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