CN110256174A - 一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法及应用 - Google Patents

一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：(1)将秸秆生物质粉末加入氯化镁溶液中混匀、浸渍后滤出并烘干，然后转移至缺氧氛围中，在450‑700℃温度条件下热裂解，获得富镁生物炭材料；(2)用步骤(1)中富镁生物炭材料与养殖场废液混合、富集后过滤得到富含氮磷的生物炭肥；(3)以草木灰为助剂，添加到步骤(2)的生物炭肥中，搅拌混匀并烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。本发明的方法通用性强、工艺简单、耗时少、能够很好地实现“变废为宝，以废治废，缓释肥既能钝化土壤和水体中多种重金属又能持续为作物提供有效养分。

Description

一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及废弃生物资源化利用以及绿色农业的技术领域，具体涉及一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法及应用。
技术背景
农作物的安全生产对于保障食品安全和人类健康具有重要意义。然而，农药、化肥的不合理使用以及矿业、冶金业的发展，导致的重金属污染问题，已经引起农田土壤肥力降低、农作物严重减产，而且重金属在植物组织中大量积累并进入食物链，对农产品安全和人类的健康构成了严重威胁。另一方面，含有重金属的污水灌溉也是造成土壤污染的原因之一，特别是受污染土壤中的重金属又可经过地表径流回流到水体中，造成重金属的恶性循环，威胁生态系统。因此，迫切需要发展重金属修复技术，特别是能够适用于农田土壤重金属的修复材料，既能够固定和钝化土壤重金属，同时可以为作物生长提供持续的养分。吸附法是目前重金属废水处理的主要方法之一，具有稳定、简便等优点，但目前大部分吸附剂价格昂贵、效率差，极大限制了其广泛应用。开发具有廉价、选择吸附性好、性能稳定的重金属修复材料是水环境和土壤环境修复领域的重要研究方向。
申请人所在课题组发现，以秸秆类生物质为原料，通过镁改性制备的生物炭材料，在富集过水体氮磷养分后，制备得到的生物炭肥，不仅具有缓释氮磷养分、为植物提供有效持续养分的功效，而且对土壤中的多种重金属具有固定和钝化作用。同时，该生物炭缓释肥对水体中重金属的去除也具有高效、快速、能同时吸附多种重金属的优点。因此，本发明技术中可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在土壤修复和水体修复领域均具有广阔的应用前景；本发明技术在缓解重金属污染、促进秸秆的综合利用以及新型缓释肥料的开发等方面均具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备既能钝化土壤和水体中多种重金属又能持续为作物提供有效养分的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法和应用。
本发明通过以下具体技术方案解决上述问题：本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)将秸秆生物质粉末加入氯化镁溶液中混匀、浸渍后滤出并烘干，然后转移至缺氧氛围中，在450-700℃温度条件下热裂解，获得富镁生物炭材料；
(2)用步骤(1)中富镁生物炭材料与养殖场废液混合、富集后过滤得到富含氮磷的生物炭肥；
(3)以草木灰为助剂，添加到步骤(2)的生物炭肥中，搅拌混匀并烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
进一步地，在步骤(1)中，将1-10g干燥的秸秆生物质粉末加入到100mL浓度为1-4mol/L的氯化镁溶液中，制得混合液，所述的混合液pH为7-12，温度为20℃-40℃，于300-500rpm磁力搅拌1-8h后滤出，于80-105℃温度条件下烘干，并转移至缺氧氛围中，以10-15℃/min升温至450-700℃热解1-3h，获得富镁生物炭材料；
在步骤(2)中，将步骤(1)中富镁生物炭以1-5g/L的比例投加到养殖场废液中，以300-500rpm转速震荡12-36h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥；
在步骤(3)中，将步骤(2)中的生物炭肥与草木灰以质量比2-4:1的比例混合均匀并烘干，或者不添加草木灰直接烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
进一步地，在步骤(1)中，所述的秸秆生物质粉末是将玉米秸秆经105℃干燥、粉碎并过100目筛的过筛粉末。
更进一步地，在步骤(1)中，所述的1-4mol/L的氯化镁溶液是将MgCl2·6H2O溶于水制得，在步骤(3)中，所述的烘干温度为80-105℃。
进一步地，在步骤(2)中，所述的养殖场废液，包括畜禽粪污固液分离后的液体以及粪污沼气发酵后得到的沼液。
本发明所述的制备方法制备获得的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
本发明所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在土壤中的应用。
本发明所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在水体中的应用。
进一步地，所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥以0.5-1.5吨/亩用量均匀撒施在土壤表层。
进一步地，所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥是以1.5-2g/L的用量添加到水体中。
有益效果：本发明的方法通用性强、工艺简单、耗时少、能够很好地实现“变废为宝，以废治废，缓释肥既能钝化土壤和水体中多种重金属又能持续为作物提供有效养分。该制备方法具有原料来源广泛、廉价易得、成本低且能够缓解农业面源污染，为秸秆的高值化利用提供新思路。该生物炭基缓释肥不仅对氮磷养分具有缓释效果，能有效促进植物生长，而且对土壤和水体中的多种重金属具有较高的吸附固定和钝化能力。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明方法制备的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥，以秸秆类生物质为原料，通过功能化修饰，实现对沼液中氮磷的富集及生物炭基缓释肥的制备；不仅富含C、N、P、Mg和K等多种植物生长元素，而且这些元素可以缓慢的从生物炭肥的孔道结构中释放，为作物持续提供养料。另一方面，该可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥对土壤重金属铜、锌、铅、镉、砷和铬具有同时固定的能力，能有效降低作物对上述重金属的吸收。
(2)本发明方法制备的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥，不仅能够吸附水体中的铜、锌、铅、镉、和砷重金属中的一种，而且对含有上述多种重金属的水体也具有优异、快速的吸附性能(具体见表1和2)。因此，本发明技术在促进秸秆转化、水污染控制、土壤修复和绿色农业等领域均具有广阔的应用前景。
(3)本发明的制备方法以来源于植物的农业生物质(木质纤维素类)为炭基质，以木质纤维素类农业废弃物为原料，通过改性、对养殖场废液中氮磷的富集及草木灰的掺杂或不掺杂，通过功能化修饰、富集养殖场废液中氮磷养分、以及通过添加或不添加草木灰助剂，制备可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。该可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥具有丰富的生物炭孔道结构，并且富镁生物炭表面带有的镁氧基团是活泼的反应基团，通过吸附和静电引力等作用，将土壤中的重金属固定和钝化，从而减少有效态的释放，减少植物对重金属的吸收。
附图说明
图1为本发明中的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥与化肥释放氮图1(a)和磷图1(b)速率的比较图。
具体实施方式
本发明有选择地提供实施例，给出了详细实施方案和具体操作过程，只为说明本发明的部分重要价值，但本发明的保护范围不限于下述实施例，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)收集安徽农业大学实验大田中的玉米秸秆，清洗后于105℃烘干并粉碎，粉碎后过100目筛并收集过筛的玉米秸秆粉末。取1g玉米秸秆粉末加入到100mL 1mol/L的MgCl2溶液中，于500rpm磁力搅拌2h后过滤、烘干，并转移至缺氧氛围中，以15℃/min升温至450℃热解2h，获得富镁生物炭材料。
(2)将步骤1)中富镁生物炭以1g/L的比例投加到pH为7的沼液中，于20℃以300rpm转速震荡24h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥。
(3)将步骤2)中的生物炭肥与草木灰以质量比2:1的比例混合均匀并于100℃烘干，得到可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
将该缓释肥按照1吨/亩的用量在含镉的试验田(50m2)进行试验，结果表明：该缓释肥使玉米中籽粒中镉的含量降低了28％，使玉米增产10.1％。
实施例2
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)收集安徽农业大学实验大田中的玉米秸秆，清洗后于105℃烘干并粉碎，粉碎后过100目筛，并收集过筛的玉米秸秆粉末。取9g玉米秸秆粉末加入到100mL4mol/L的MgCl2溶液中，于300rpm磁力搅拌8h后过滤、烘干，并转移至缺氧氛围中，以15℃/min升温至500℃热解1h，获得富镁生物炭材料。
(2)将步骤1)中富镁生物炭以2.5g/L的比例投加到pH为10的沼液中，于30℃以500rpm转速震荡12h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥。
(3)将步骤2)中的生物炭肥与草木灰以质量比3:1的比例混合均匀并于80℃烘干，得到可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
将该缓释肥按照1.5吨/亩的用量在含铅的试验田(50m2)进行试验，结果表明：该缓释肥使玉米中籽粒中铅的含量降低了43％，使玉米增产9.8％。
实施例3
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)收集安徽农业大学实验大田中的玉米秸秆，清洗后于105℃烘干并粉碎，粉碎后过100目筛，并收集过筛的玉米秸秆粉末。取5g玉米秸秆粉末加入到100mL 2.5mol/L的MgCl2溶液中，于400rpm磁力搅拌5h后过滤、烘干，并转移至缺氧氛围中，以10℃/min升温至700℃热解3h，获得富镁生物炭材料。
(2)将步骤1)中富镁生物炭以2.5g/L的比例投加到pH为9的沼液中，于40℃以400rpm转速震荡36h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥。
(3)将步骤2)中的生物炭肥与草木灰以质量比4:1的比例混合均匀并于105℃烘干，得到可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
将该缓释肥按照0.5吨/亩的用量在含砷的试验田(50m2)进行试验，结果表明：该缓释肥使玉米中籽粒中砷的含量降低了35％，使玉米增产9.2％。
实施例4
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)收集安徽农业大学实验大田中的玉米秸秆，清洗后于105℃烘干并粉碎，粉碎后过100目筛，并收集过筛的玉米秸秆粉末。取7g玉米秸秆粉末加入到100mL 3.5mol/L的MgCl2溶液中，于450rpm磁力搅拌8h后过滤、烘干，并转移至缺氧氛围中，以15℃/min升温至650℃热解3h，获得富镁生物炭材料。
(2)将步骤1)中富镁生物炭以1.5g/L的比例投加到pH为7的沼液中，于25℃以400rpm转速震荡36h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥。
(3)将步骤2)中的生物炭肥不与草木灰(0g)混合、于100℃烘干，得到可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
将该缓释肥按照1.5吨/亩的用量在含铜、锌和镉的试验田(50m2)进行试验，结果表明：该缓释肥使玉米中籽粒中铜、锌和镉的含量分别降低了22.3％、17.5％和24.6％，使玉米增产8.1％。
实施例5
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)收集安徽农业大学实验大田中的玉米秸秆，清洗后于105℃烘干并粉碎，粉碎后过100目筛，并收集过筛的玉米秸秆粉末。取3g玉米秸秆粉末加入到100mL 2mol/L的MgCl2溶液中，于400rpm磁力搅拌6h后过滤、烘干，并转移至缺氧氛围中，以10℃/min升温至550℃热解1h，获得富镁生物炭材料。
(2)将步骤1)中富镁生物炭以1.5g/L的比例投加到pH为7.5的沼液中，于25℃以400rpm转速震荡18h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥。
(3)将步骤2)中的生物炭肥于90℃烘干，得到可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
实施例6
本发明的一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，包括如下步骤：
在步骤(1)中，将10g干燥的秸秆生物质粉末加入到100mL浓度为1mol/L的氯化镁溶液中，制得混合液，所述的混合液pH为12，温度为20℃-40℃，于500rpm磁力搅拌1后滤出，于80℃温度条件下烘干，并转移至缺氧氛围中，以10-15℃/min升温至600℃热解1-3h，获得富镁生物炭材料；
在步骤(2)中，将步骤(1)中富镁生物炭以5g/L的比例投加到养殖场废液中，以400rpm转速震荡24h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥；
在步骤(3)中，将步骤(2)中的生物炭肥与草木灰以质量比3:1的比例混合均匀并烘干，或者不添加草木灰直接烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
本发明所述的制备方法制备获得的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
本发明所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在土壤中的应用。
本发明所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在水体中的应用。
所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥以0.5-1.5吨/亩用量均匀撒施在土壤表层。
所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥是以1.5-2g/L的用量添加到水体中。
试验1
将该缓释肥按照1.5g/L的用量分别添加到含有单一重金属的水体和多种重金属混合的水体中，吸附60min。利用原子吸收光谱仪测定水体中重金属浓度，并计算去除率，结果如表1所示。表1为本发明中的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥对含单一重金属的水体中重金属的去除率。表2为本发明中的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥对含多种重金属混合水体中重金属的去除率。
表1
表2
如表1所示，可以看出，利用本发明专利技术制备的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥，不仅对水体中的重金属具有很高的去除率，而且去除速率快，5min左右就能去除95％以上的重金属。特别是在多种重金属的混合水体，能够同时快速、高效的去除重金属(结果见表2)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将秸秆生物质粉末加入氯化镁溶液中混匀、浸渍后滤出并烘干，然后转移至缺氧氛围中，在450-700℃温度条件下热裂解，获得富镁生物炭材料；
(2)用步骤(1)中富镁生物炭材料与养殖场废液混合、富集后过滤得到富含氮磷的生物炭肥；
(3)以草木灰为助剂，添加到步骤(2)的生物炭肥中，搅拌混匀并烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
2.根据权利要求1所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，其特征在于：
在步骤(1)中，将1-10g干燥的秸秆生物质粉末加入到100mL浓度为1-4mol/L的氯化镁溶液中，制得混合液，所述的混合液pH为7-12，温度为20℃-40℃，于300-500rpm磁力搅拌1-8h后滤出，于80-105℃温度条件下烘干，并转移至缺氧氛围中，以10-15℃/min升温至450-700℃热解1-3h，获得富镁生物炭材料；
在步骤(2)中，将步骤(1)中富镁生物炭以1-5g/L的比例投加到养殖场废液中，以300-500rpm转速震荡12-36h后过滤，得到富含氮磷的生物炭肥；
在步骤(3)中，将步骤(2)中的生物炭肥与草木灰以质量比2-4:1的比例混合均匀并烘干，或者不添加草木灰直接烘干，制得可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
3.根据权利要求1所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的秸秆生物质粉末是将玉米秸秆经105℃干燥、粉碎并过100目筛的过筛粉末。
4.根据权利要求2所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的1-4mol/L的氯化镁溶液是将MgCl2·6H2O溶于水制得，在步骤(3)中，所述的烘干温度为80-105℃。
5.根据权利要求2所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的养殖场废液，包括畜禽粪污固液分离后的液体以及粪污沼气发酵后得到的沼液。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制备获得的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥。
7.权利要求6所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在土壤中的应用。
8.权利要求6所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥在处理含铜、锌、铅、镉或砷中的一种或几种混合重金属在水体中的应用。
9.权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥以0.5-1.5吨/亩用量均匀撒施在土壤表层。
10.权利要求8所述的应用，其特征在于：所述的可钝化土壤重金属的生物炭基缓释肥是以1.5-2g/L的用量添加到水体中。
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