CN110235747A - 一种无土栽培基质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无土栽培基质及其制备方法，该基质为包埋有商品肥料的多孔溶胀材料，所述多孔溶胀材料是在木屑颗粒的多孔结构之间原位合成具有吸水溶胀性能的木质素水凝胶。将大量肥料装载于木屑‑水凝胶形成的网络结构中，借用木屑的吸附性能，不但增加了单一水凝胶装载肥料的能力，同时避免了在反应过程中吸附在木屑孔细胞腔内的肥料及水凝胶的浸出。该基质不仅具有保水和肥料缓释双重功效，还具有较好的机械强度，提高了肥料利用率，能够有效促进植物生长。本发明以木材加工产生的废料及造纸副产物木质素磺酸盐为原料，原料无毒、可降解、安全环保、成本低廉、操作简单、使用方便等特点，易于大范围推广应用。

Description

一种无土栽培基质及其制备方法

技术领域

本发明涉及农业生产技术领域，特别的涉及一种无土栽培基质及其制备方法。

背景技术

无土栽培技术是一种绿色环保的植物种植方式。与传统土壤种植技术相比，无土栽培具有栽培条件宽泛、肥水利用率较高、作物产量高质量好、易于实现工厂化生产等优势，现已成为发展高效农业的新途径。基质培具有缓冲能力好、节约水资源、控制性强、投资少等优点，成为无土栽培技术的研究重点内容之一。优良的无土栽培基质需要具备固定作物、保水保肥、透气等方面的能力。

近几年，无土栽培基质也成为了研究的热点，如发明专利CN201910016193.2公开了一种无土栽培基质及其制备方法，该基质包括20～35份生物质电厂炉灰渣、20～40份芦苇沫、10～25份草炭或蚯蚓粪、5～10份充分腐熟的有机肥与畜禽粪便混合物、10～15份统糠及5～10份蘑菇渣；将原料粉碎过筛，各组分混匀形成混配基质，不小于25℃下堆成20～25cm高，喷水使含水量达75％～85％，覆盖塑料薄膜，暴晒10～15天，去掉塑料薄膜，自然降温并挥发掉部分水分，作无土栽培基质利用，但农林生物质废弃物腐熟基质在不同作物生长过程中产生的差异性，不能满足不同农作物的生长需求，且制备方法操作复杂，保水性和缓释效果差。发明专利CN201811107565.4公开了一种无土栽培基质及其制备方法，该基质按重量份计，包括以下组分：聚酯多元醇80～120份、多异氰酸酯20～60份、亲水扩链剂3～10份、成盐剂2～10份、扩链剂1～10份、催化剂0.01～2份、水100～300份、有机基质30～60份、无机基质30～60份和亲水改性异氰酸酯三聚体1～10份，但该配方一些组分成本高，不可降解，且对人体和环境存在一定的危害性。因此，研发适用于不同农作物且可再生的基质具有重要意义。

我国是造纸大国，木质素磺酸盐是造纸工业最主要的副产物之一，每年有数百万吨木质素磺酸盐产生，但只有很少的一部分得到利用，因此，积极开发木质素磺酸盐产品，拓宽其应用范围，既有利于环保，也有利于资源的利用。

木材具有纯天然、无污染、可降解、绿色环保、保水性好、透气性强等优点，作为林业材料广泛受到人们的喜爱。我国木材加工的综合水平相对较低，许多木质材料加工厂有相当多的木材剩余物(刨花、锯末、木屑、边角料等)没有得到充分的、有效的利用。据统计，我国每年所产生的木质品废旧物大约就有600万吨，折合材积约850万m³，作为木材加工过程中的废弃物，如果随便堆放或焚烧，会造成自然资源的严重浪费和环境污染。木材除了自身的利用价值外，其加工所产生的大量木材剩余物也具有十分可观的利用价值。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种无土栽培基质，解决了现有基质存在保水性差，成本高，不能满足不同农作物对营养需求等问题。

本发明还提供了一种无土栽培基质的制备方法，解决了现有方法存在操作复杂、耗时长以及环境污染的问题，同时也提高了造纸废料木质素磺酸钠和木材加工废弃物的使用价值。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种无土栽培基质，该基质为包埋有商品肥料的多孔溶胀材料，所述多孔溶胀材料是在木屑的多孔结构之间原位合成具有吸水溶胀性能的木质素水凝胶。

本发明还提供了上述无土栽培基质的制备方法，包括以下步骤：

1)将木材加工产生的废料通过粉碎、研磨得到木屑颗粒；

2)利用改性方法在木质素磺酸钠中引入亲水性高活性基团制备改性木质素；

3)将步骤1)得到的木屑颗粒浸于含有改性木质素和交联剂的混合溶液中，待木屑颗粒的吸附达到饱和，再将其过滤、焙烘，使改性木质素在木屑空隙间完成聚合反应，得到木质素水凝胶负载木屑的基质；

或将步骤1)得到的木屑颗粒浸于含有改性木质素的强酸溶液中，加热反应，使改性木质素在木屑空隙间完成缩聚反应，得到木质素水凝胶负载木屑的基质；

4)将步骤3)制得的基质经冷冻干燥处理后，将其置于商品肥料溶液中，在室温条件下吸附溶胀达到吸附平衡，经过滤、干燥处理，即得到所述无土栽培基质。

进一步，所述木屑的颗粒度为2～3mm。

进一步，所述亲水性高活性基团为氨基、羟基和羧基中的一种或多种。

进一步，所述改性方法为胺化改性或氧化改性。

进一步，所述改性木质素与交联剂的质量比为1.5～2.5；所述交联剂为聚乙二醇二缩水甘油醚。

进一步，所述焙烘温度为80～110℃，时间为3～8min。

进一步，所述强酸溶液为浓硫酸溶液。

进一步，所述加热反应温度为75～85℃，时间为80～100min。

进一步，所述冷冻干燥中温度为-48～-52℃，时间为20～24h。这样，将水凝胶采用冷冻干燥，保持干胶具有一定的孔隙率，使其具有较好的吸水溶胀性能。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明无土栽培基质为具有吸水溶胀性能的木质素水凝胶负载木屑的多孔结构，通过吸胀作用将选用商品肥料将大量肥料装载于木屑-水凝胶形成的网络结构中。一方面，本发明制备的木质素水凝胶负载木屑的基质可以根据农作物的营养需求来选用商品肥料，以满足不同作物或相同植物不同时期的不同生长需求，解决现有农林生物质废弃物腐熟基质在不同作物生长过程中产生的差异性问题，且木质素水凝胶负载木屑的基质可以通过吸附溶胀作用重复利用，降低成本；另外一方面，改性木质素在木屑的多孔结构间发生交联形成水凝胶，使其不仅具有保水和肥料缓释双重功效，提高了肥料利用率，并具有较好的机械强度；另外，木屑和木质素属于生物基质，可降解，安全环保，且有利于植物健康生长，满足农业绿色发展要求。

2、本发明通过原位合成方法的设计制备具有多孔的吸附溶胀材料，将大量肥料装载于木屑-水凝胶形成的网络结构中，借用木材的吸附性能，不但增加了单一水凝胶装载肥料的能力，同时中避免了在反应过程中吸附在木屑孔细胞腔内的肥料及水凝胶的浸出。本发明原料无毒、具有生物可降解性、成本低廉、操作简单、使用方便等特点，易于该基质在农业及园林行业中大范围推广应用。该方法在基质合成中的应用为无土栽培技术的发展提出新的思路，具有理论研究和实际应用的双重意义

3、本发明以木材加工产生的废料及造纸副产物木质素磺酸盐为原料，其属于废弃物资源化利用技术，由于其使用范围广、供给量大，所以原材料来源广泛、成本低，既可以提高木材加工废料及可再生资源木质素资源化利用，也拓展了其应用范围，同时也为无土栽培基质的制备提供了一种储量巨大、来源广泛、价廉易得、且符合国家相关支持政策的绿色环保新材料，具有明显的社会效益和环境效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种新型木质素水凝胶负载木屑无土栽培基质，采用如下方法制得：

1)将木材加工产生的废料通过粉碎、研磨得到成颗粒度为2～3mm的木屑颗粒。

2)通过胺化改性处理，在木质素磺酸钠(SLS)中引入伯胺高活性基团得到木质素胺(LA)，提高其反应活性，具体反应如式(1)所示；

具体步骤为：称取10g木质素磺酸钠溶于100mL去离子水中，加入15g浓度为98.5％的二乙烯三胺溶液，用0.1mol/L的盐酸或氢氧化钠溶液调整上述溶液pH值为10～11，然后逐滴加入10g浓度为37％的甲醛溶液，滴加完毕后，将温度升高到50℃搅拌反应4h，反应结束后将反应溶液温度降到室温，并在乙醇中沉淀析出，经多次沉淀洗涤，得到木质素胺。

3)将步骤2)制得的木质素胺和引发剂聚乙二醇缩水单甲醚(PEGDGE)按质量比为2:1配制成混合溶液，然后将步骤1)制得木屑浸于上述混合溶液中，在室温(25℃)条件下浸泡2h使木屑达到吸附平衡，再将其过滤，将过滤产物在100℃焙烘5min，使木质素胺在木屑孔隙间完成聚合反应，得到木质素水凝胶负载木屑的基质。

4)将步骤3)制得的基质置于-52℃冷冻干燥处理24h，得到干胶木屑基质。

5)在室温条件下，将1g步骤4)得到的干胶木屑基质置于100mL浓度为5％的尿素溶液(或其他商品肥料，如复合肥等)中浸泡1h，达到吸附溶胀饱和，经过滤、干燥处理，得到包埋尿素的木质素水凝胶负载木屑栽培基质，其包埋尿素量通过紫外-可见分光光度计检测吸附残液中尿素的剩余量来计算。

6)将步骤7)得到的包埋肥料的栽培基质冷冻干燥，得到所述无土栽培基质。

将本实施例得到的无土栽培基质进行性能验证，结果得到每克干胶木屑基质的吸水性能达到84g；包埋尿素的木质素水凝胶负载木屑栽培基质具有长效缓释肥料的效果，缓释时间可达240h。因此，在10天内不用每天施加尿素，释放完尿素的水凝胶基质还可以通过吸附溶胀作用进行重复利用；本发明可以根据植物在不同时期对营养需求不同来选择包埋不同的肥料。

实施例2

一种新型木质素水凝胶负载木屑无土栽培基质，采用如下方法制得：

1)将木材加工产生的废料通过粉碎、研磨得到成颗粒度为2～3mm的木屑颗粒。

2)通过氧化改性处理，在木质素磺酸钠中引入了羟基、羧基等亲水高活性基团含量，具体反应如式(a)：过氧化氢与木质素侧链羰基的反应；(b)：过氧化氢与木质素侧链双键的反应和(c)：过氧化氢与木质素结构单元苯环的反应所示。

具体步骤为：称取8g木质素磺酸钠溶于200mL浓度为0.25mol/L的氢氧化钠溶液中，加入6mL浓度为30％的双氧水，在温度为50℃搅拌反应40min，得到氧化木质素。

3)将步骤1)得到的木屑置于步骤2)所得氧化木质素溶液中，加入4mL浓度为98％的浓硫酸和2.5g亚硫酸钠，80℃搅拌反应80min，待溶液冷却至室温后，将混合液抽滤，将抽滤所得的沉淀转入表面皿中，将此表面皿放入烘箱中在130℃加热90min，取出表面皿冷却至室温，加入50mL浓度为0.3mol/L的NaOH溶液，在室温下磁力搅拌40min，然后将混合液用砂芯漏斗抽滤，抽滤所得的固体用去离子水洗涤至中性，即得到改性木质素磺酸钠湿水凝胶负载木屑基质。

4)将步骤3)制得的基质置于-52℃冷冻干燥处理，得到干胶木屑基质。

5)在室温条件下，将1g步骤4)得到的干胶木屑基质置于100mL浓度为5％的复合肥溶液中浸泡1h，达到吸附溶胀饱和，经过滤、干燥处理，得到包埋尿素的木质素水凝胶负载木屑栽培基质。

6)将步骤7)得到的包埋肥料的栽培基质冷冻干燥，得到所述无土栽培基质。

将本实施例得到的无土栽培基质进行性能验证，结果得到每克干胶木屑基质的吸水性能达到62g；包埋复合肥的木质素水凝胶负载木屑栽培基质具有长效缓释肥料的效果，缓释时间可达210h；因此，在9天内不用每天施加复合肥，释放完复合肥的水凝胶基质还可以通过吸附溶胀作用进行重复利用；本发明可以根据植物在不同时期对营养需求不同来选择包埋不同的肥料。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种无土栽培基质，其特征在于，该基质为包埋有商品肥料的多孔溶胀材料，所述多孔溶胀材料是在木屑的多孔结构之间原位合成具有吸水溶胀性能的木质素水凝胶。

2.一种无土栽培基质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将木材加工产生的废料通过粉碎、研磨得到木屑颗粒；

2)利用改性方法在木质素磺酸钠中引入亲水性高活性基团制备改性木质素；

3)将步骤1)得到的木屑颗粒浸于含有改性木质素和交联剂的混合溶液中，待木屑颗粒的吸附达到饱和，再将其过滤、焙烘，使改性木质素在木屑空隙间完成聚合反应，得到木质素水凝胶负载木屑的基质；

或将步骤1)得到的木屑颗粒浸于含有改性木质素的强酸溶液中，加热反应，使改性木质素在木屑空隙间完成缩聚反应，得到木质素水凝胶负载木屑的基质；

4)将步骤3)制得的基质经冷冻干燥处理后，将其置于商品肥料溶液中，在室温条件下吸附溶胀达到吸附平衡，经过滤、干燥处理，即得到权利要求1所述无土栽培基质。

3.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述木屑的颗粒度为2～3mm。

4.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述亲水性高活性基团为氨基、羟基和羧基中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述改性方法为胺化改性或氧化改性。

6.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述改性木质素与交联剂的质量比为1.5～2.5；所述交联剂为聚乙二醇二缩水甘油醚。

7.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述焙烘温度为80～110℃，时间为3～8min。

8.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述强酸溶液为浓硫酸溶液。

9.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述加热反应温度为75～85℃，时间为80～100min。

10.根据权利要求2所述无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥中温度为-48～-52℃，时间为20～24h。