CN109134136A - 一种生物炭氮肥及其制备方法 - Google Patents

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陈
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张勇
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Abstract

本发明公开了一种生物炭氮肥及其制备方法。所述生物炭氮肥包括以下重量分数的组份：生物炭52~64份、固体氮肥23~36份、腐殖酸3~10份、复合氨基酸0.1~1份、硅藻土3~10份；所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1~10份、可降解树脂1~10份。本发明通过生物炭对土壤中的营养元素等具有强大的吸附和缓慢释放能力，防止土壤营养元素的淋失。本发明通过生物炭的吸附作用有效避免了土壤营养元素的流失，可有效控制土壤污染以及水污染。

Description

一种生物炭氮肥及其制备方法
技术领域
本发明涉及肥料技术领域，更具体地，涉及一种生物炭氮肥及其制备方法。
背景技术
我国一直以来作为一个农业大国，每年需使用大量化肥，由于人们肆意滥用化学肥料，使土壤地力下降，土壤污染不断加剧，导致土壤酸碱平衡遭到破坏。近几年来，我国粮食的单产没有显著增长，但是同期化肥用量却增加了近40％，而化肥的利用率不到30％。
土壤作为人类和陆地生物赖以生存的物质基础，由于自然或人为原因，导致土壤扰动造成污染随水流迁移。过量施肥，土壤中的铵态氮、磷、钾等土壤营养元素在水中溶解度大，往往易受土壤淋溶迁移影响，导致部分土壤营养元素流失。土壤营养元素的淋失，一方面易造成土壤贫瘠，另一方面，易造成水体污染，而土壤营养元素流失导致供给作物的营养减少，因而促使农民施更多肥料以保障作物生长，以此恶性循环，导致肥料施用越来越多，土壤污染、水污染越来越严重。
近年来由于土壤营养元素淋失，某些营养元素随水流失造成湖泊、河流水体富营养化，特别是一些封闭式或半封闭式的水体，以及滞留河流由于水体内氮、磷等养分在水体中富集，导致藻类异常增殖，从而消耗了大量的氧，水体透明度降低，水质恶化，引起鱼类等水生生物大量死亡。
土壤生物质作为土壤物质保持和转化能力的核心，陆地生物赖以生存的控制土壤营养元素流失对土壤的污染控制具有不可估量的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有氮肥流失严重，污染环境等技术缺陷，提供一种缓释、环保生物炭氮肥。
本发明还一要解决的技术问题是提供所述生物炭氮肥的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种生物炭氮肥包括以下组份：包括以下重量分数的组份：生物炭52～64份、固体氮肥23～36份、腐殖酸3～10份、复合氨基酸0.1～1份、硅藻土3～10份；所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1～10份、可降解树脂1～10份。
生物炭进入土壤不但能提高土壤肥力，因为其蜂窝状颗粒成为水分和肥料的储存库，可以持久改善土壤质量，促使其成为黑土。生物炭表面负电荷之间的静电作用、金属阳离子与活性炭表面的电离质子的离子交换作用、金属离子与生物炭上的矿物质或官能团作用生成沉淀或络合物，从而吸附多余养分，防止养分流失。
进一步地，所述生物炭氮肥包括以下重量分数的组份：生物炭58～62份、固体氮肥26～31份、腐殖酸5～8份、复合氨基酸0.3份、硅藻土5份；所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂2份、可降解树脂3份。
生物炭促使肥料养分缓慢释放，而复合氨基酸由于易吸收，因此能够快速补充农作物生长所需养分。
进一步地，所述植物纤维为桔梗纤维、稻草纤维、木纤维、芦苇纤维中的一种或几种；所述发泡剂为水蒸气、碳酸氢钠、碳酸氢铵、酵母粉中的一种或几种；所述可降解树脂为聚乳酸。
可降解的聚乳酸，一方面可提高材料的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，产生的二氧化碳可直接进入土壤有机质或被植物吸收，不会排入空气中，不会造成温室效应；另一方面聚乳酸的加入可以提高材料的抗拉强度及延展度，并且一定程度上还能增强材料粘合性。
进一步地，所述固体氮肥为尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、硝酸钠、硝酸钙、硝酸铵中的一种或几种。
本发明所述的生物炭氮肥包括以下制备步骤：
S1.生物炭的制备：将植物纤维、发泡剂、可降解树脂经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S2.将硅藻土、腐殖酸分别粉碎，过筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得生物炭与固体肥分别粉碎，过筛后混合均匀，加热至固体肥全部熔化，加压，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
进一步地，所述步骤S1中生物炭的具体制备方法包括以下步骤：
S11.将植物纤维粉碎，过筛，干燥后与可降解树脂、发泡剂混合均匀；压制成型，得料块；
S12.将步骤S11所得料块放入炭化炉，抽真空，加热，冷却，即得炭化块；
S13.将步骤S12所得炭化块放入含氮液肥中，浸泡，晾干，即得生物炭。
生物炭制备过程中通过加入液态肥料浸泡，使生物炭孔洞中含有少量的，低浓度氮肥，可加速溶化后的氮肥渗入生物炭中，并提高生物炭的固氮量。
进一步地，步骤S11中所述料块密度为0.5～1.2Kg/m3，烘干后的植物纤维含水率为8～15％；步骤S12中加热温度为150～400℃，加热时间为2～24h；冷却温度为10～35℃。
进一步地，步骤S13中所述含氮液肥由尿素、碳酸氢铵配制而成，含氮液肥中氮含量为3～10％，浸泡时间为14～21h，浸泡温度为20～38℃。
进一步地，步骤S2中所述所述过筛目数为10～20目。
进一步地，步骤S3中所述加压时间12～22min，加压压力0.11～0.13MPa。
本发明具有以下有益效果：
本发明创造性的通过将含水植物纤维高度炭化后形成具有较多大小孔洞的高吸附性生物炭，将少量低浓度氮肥浸入生物炭，可有效诱导熔融后的固体氮肥吸附进入生物炭中，缓慢释放，通过生物炭大孔和小孔协调作用，对土壤中的营养元素等具有强大的吸附和缓慢释放能力，防止土壤营养元素的淋失。
本发明通过生物炭的吸附作用有效避免了土壤营养元素的流失，可有效控制土壤污染以及水污染。
本发明所述制备方法充分利用农林纤维废物制备生物炭，变废为宝，绿色环保，工艺简单稳定，成本较低，条件温和，适合生物炭产业化的大规模生产。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、0.1kg碳酸氢钠和1kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取碳酸氢钠和PLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在150℃，24小时后，关闭加热器，冷却至10℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为3％的尿素液肥中，于20℃条件下浸泡14h，晾干，即得生物炭。
S2.将3份硅藻土、3份腐殖酸分别粉碎，过10目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得52份生物炭与23份尿素分别粉碎，过筛10目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.11MPa，加压12min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.1份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
实施例2生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为8％的尿素液肥中，于28℃条件下浸泡18h，晾干，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、5份腐殖酸分别粉碎，过10目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得58份生物炭与26份尿素分别粉碎，过筛10目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.12MPa，加压14min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.2份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
实施例3生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，12小时后，关闭加热器，冷却至25℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为8％的尿素液肥中，于28℃条件下浸泡18h，晾干，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、6份腐殖酸分别粉碎，过12目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得60份生物炭与29份尿素分别粉碎，过筛12目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.12MPa，加压16min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.3份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
实施例4生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在1.4kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，8小时后，关闭加热器，冷却至15℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为8％的尿素液肥中，于28℃条件下浸泡18h，晾干，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、6份腐殖酸分别粉碎，过12目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得60份生物炭与29份尿素分别粉碎，过筛12目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.12MPa，加压16min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.3份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
实施例5生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、10kg碳酸氢钠和10kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取10kg碳酸氢钠和10kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在400℃，2小时后，关闭加热器，冷却至35℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为10％的尿素液肥中，于38℃条件下浸泡21h，晾干，即得生物炭。
S2.将10份硅藻土、10份腐殖酸分别粉碎，过20目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得64份生物炭与36份尿素分别粉碎，过筛12目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.13MPa，加压22min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、1份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
对比例1生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，12小时后，关闭加热器，冷却至25℃后取出，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、6份腐殖酸分别粉碎，过12目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得60份生物炭与29份尿素分别粉碎，过筛12目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.12MPa，加压16min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.3份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
对比例2生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，12小时后，关闭加热器，冷却至25℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为20％的尿素液肥中，于28℃条件下浸泡18h，晾干，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、6份腐殖酸分别粉碎，过12目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得生物炭、步骤S2所得混合物、30份尿素、0.3份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
对比例3生物炭氮肥的制备
具体制备步骤如下：
S1.生物炭的制备：将100kg桔梗纤维、2kg碳酸氢钠和3kgPLA经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S11.预处理：取100kg桔梗纤维粉碎，过孔径为20mm的筛网，于40℃干燥30min，称取2kg碳酸氢钠和3kgPLA；将处理后的桔梗纤维、碳酸氢钠、和PLA混合均匀，压制成立方体，料块密度控制在0.8kg/m3。
S12.将步骤S3所得料块放入炭化炉中，然后盖上炭化炉上盖，抽真空，使容器内真空率大于等于85％后，启动加热器，使炉温保持在300℃，12小时后，关闭加热器，冷却至25℃后取出，即得炭化块。
S13.将步骤S12所得炭化块放入氮含量为78％的尿素液肥中，于28℃条件下浸泡18h，晾干，即得生物炭。
S2.将5份硅藻土、6份腐殖酸分别粉碎，过12目筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得60份生物炭与29份尿素分别粉碎，过筛12目筛后混合均匀，加热至尿素全部熔化，加压0.12MPa，加压16min，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、0.3份复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
养分淋溶试验
为验证本发明制备的生物炭氮肥料在水稻上大面积示范应用的实际效果，申请人选择在水稻种植基地上进行了试验示范。
1材料与方法
1.1供试地点1设在水稻基地内，试验地面积4亩，土壤肥力水平较均匀。
1.2供试作物1水稻，株行距0.2m*0.2m，长势中庸且一致。
1.3每个供试地点均对应1个试验处理，每个试验处理面积为0.5亩，共有8个试验处理：
①实验1组：种植水稻幼苗前施用一次实施例1制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩。
②实验2组：种植水稻幼苗前施用一次实施例2制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩。
③实验3组：种植水稻幼苗前施用一次实施例1制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩。
④实验4组：种植水稻幼苗前施用一次实施例1制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩。
⑤实验5组：种植水稻幼苗前施用一次实施例1制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩。
⑥对照1组：种植水稻幼苗前施用一次对比例1制备的生物炭氮肥料，每次20kg/亩，其他施肥措施同处理①。
⑦对照2组：种植水稻幼苗前施用一次对比例2制备的生物炭氮肥料，其他施肥措施同处理①。
⑧对照3组：种植水稻幼苗前施用一次对比例3制备的生物炭氮肥料，其他施肥措施同处理①。
实验组和对照组均按当地常规栽培技术进行管理。试验各处理以每0.5亩为小区，管理一致。
分别抽取8个试验处理组的土壤和标准土壤(施肥前的土壤)，分别风干，过20目筛网，分别装入淋溶柱中，进行淋溶，每次淋溶间隔时间为30h，每个试验处理一共淋溶10次，分别测量每次淋溶液中的N含量，数据结果如表1所示：
表1淋溶液中N含量
由表1数据可知，本发明制备的生物炭有机肥加入土壤中，淋溶后的淋溶液中所淋失的N含量远低于对比例。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种生物炭氮肥，其特征在于，所述生物炭氮肥包括以下重量分数的组份：生物炭52~64份、固体氮肥23~36份、腐殖酸3~10份、复合氨基酸0.1~1份、硅藻土3~10份；所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂0.1~10份、可降解树脂1~10份。
2.根据权利要求1所述的生物炭氮肥，其特征在于，所述生物炭氮肥包括以下重量分数的组份：生物炭58~62份、固体氮肥26~31份、腐殖酸5~8份、复合氨基酸0.3份、硅藻土5份；所述生物炭材料各组分质量份数为：植物纤维100份、发泡剂2份、可降解树脂3份。
3.根据权利要求1或2所述的生物炭氮肥，其特征在于，所述植物纤维为桔梗纤维、稻草纤维、木纤维、芦苇纤维中的一种或几种；所述发泡剂为水蒸气、碳酸氢钠、碳酸氢铵、酵母粉中的一种或几种；所述可降解树脂为聚乳酸。
4.根据权利要求1或2所述的生物炭氮肥，其特征在于，所述固体氮肥为尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、硝酸钠、硝酸钙、硝酸铵中的一种或几种。
5.根据权利要求1~4任一项所述的生物炭氮肥的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.生物炭的制备：将植物纤维、发泡剂、可降解树脂经炭化处理后，使用液体肥浸泡得生物炭；
S2.将硅藻土、腐殖酸分别粉碎，过筛后混合均匀，得到混合物；
S3.将步骤S1所得生物炭与固体肥分别粉碎，过筛后混合均匀，加热至固体肥全部熔化，加压，得加压混合物；
S4.将步骤S2所得混合物、步骤S3所得加压混合物、复合氨基酸混合均匀造粒、干燥，即得生物炭氮肥。
6.根据权利要求5所述的生物炭氮肥的制备方法，其特征在于，步骤S1中生物炭的具体制备方法包括以下步骤：
S11.将植物纤维粉碎，过筛，干燥后与可降解树脂、发泡剂混合均匀；压制成型，得料块；
S12.将步骤S11所得料块放入炭化炉，抽真空，加热，冷却，即得炭化块；
S13.将步骤S12所得炭化块放入含氮液肥中，浸泡，晾干，即得生物炭。
7.根据权利要求5所述的生物炭氮肥的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述所述过筛目数为10~20目。
8.根据权利要求5所述的生物炭氮肥的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述加压时间12~22min，加压压力0.11~0.13MPa 。
9.根据权利要求6所述的生物炭氮肥的制备方法，其特征在于，步骤S11中所述料块密度为0.5~1.2Kg/m3，烘干后的植物纤维含水率为8~15%；步骤S12中加热温度为150~400℃，加热时间为2~24h；冷却温度为10~35℃。
10.根据权利要求6所述的生物炭氮肥的制备方法，其特征在于，步骤S13中所述含氮液肥由尿素、碳酸氢铵配制而成，含氮液肥中氮含量为3~10%，浸泡时间为14~21h，浸泡温度为20~38℃。
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