CN110963478A - 一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途 - Google Patents

一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途，所述方法包括如下步骤：步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中300～500℃下热裂解，制备得到谷壳生物炭，磨碎过筛备用；步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌，过滤、烘干；然后在500～600℃的氮气环境下热解改性，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为1～3：1～2：1的磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁制备成的悬浊液，所述改性盐的总质量为所述谷壳生物炭质量的30～50％。本发明的改性谷壳生物炭可以提高土壤钙、镁、钾等矿质养分，缓解土壤酸化，降低土壤重金属污染风险，有利于提高水稻产量和土壤有机质。

Description

一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及生物炭材料制备和应用技术领域，尤其涉及一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途。
背景技术
我国南方酸性红壤普遍存在酸化退化、有机质含量低，钙镁等盐基离子含量低等问题，并存在土壤质地粘重、板结，保水保肥能力差等问题。施用有机肥和农作物秸秆还田可以改善土壤质地并有缓解土壤酸化的作用，但投入量大、见效慢，特别是在酸化改良上效果较差。而秸秆直接还田存在一些障碍，比如增加病虫害、影响苗期氮肥效率、影响作物生长、秸秆腐熟慢养分低、劳动力成本高，而重金属污染土壤还存在秸秆重金属镉的富集活化效应导致食品安全风险。现有的基于工、农业废弃物等生产的土壤调理剂同样也存在见效慢和二次污染等问题。生物炭是利用含碳有机物在高温缺氧环境下，制备成的富含碳结构的多孔性材料，作为土壤改良剂和固碳物质受到广泛关注。土壤中施用生物炭，可以起到促进土壤有机碳固定，改善土壤结构，提高土壤肥力，缓解酸化等积极作用。通过将水稻秸秆、谷壳等农业废弃物炭化，不仅可以长期封存大量碳，减少CO2排放，同时生物炭农用对于改善土壤结构、提高土壤肥力和提高产量具有积极作用。但是在重金属背景值较高的农田生产的作物秸秆，通常重金属含量较高，通过炭化处理会导致重金属进一步富集，这些重金属污染物主要包括镉、镍、铜、砷等。因此生物炭如果不经处理直接施用到农田中可能会导致重金属超标，更为严重的是带来食品安全问题。因此如何对生物炭进行改性，使得其重金属含量降低，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供了一种改性谷壳生物炭及其制备方法与用途，制备得到的改性生物炭，呈碱性，可以进一步钝化镉等重金属，孔隙度和比表面积进一步增加，同时钙镁钾等矿质元素大幅增加，是一种适宜于红壤等盐基离子贫乏的土壤培肥改良剂。通过田间试验表明，施用该改性谷壳生物炭可以提高土壤钙、镁、钾等矿质养分，缓解土壤酸化，降低土壤重金属污染风险，有利于提高水稻产量和土壤有机质。
本发明是这样实现的：
本发明的目的之一在于提供了一种改性谷壳生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中300～500℃下热裂解，制备得到谷壳生物炭，磨碎过筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：
将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌震荡，过滤、烘干；然后在500～600℃的氮气环境下热解改性，制备得到该改性谷壳生物炭；
所述改性盐为将重量比为1～3：1～2：1的磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁制备成的悬浊液，所述改性盐溶质的总质量为所述谷壳生物炭质量的30～50％。
优选地，所述步骤1中热裂解时间为2～4h。
优选地，所述步骤1中所述过筛采用100～500目筛。
优选地，所述步骤1中热裂解的温度为400℃。
优选地，所述步骤2中加入改性盐搅拌震荡的时间为12～36h。
优选地，所述步骤2中烘干时选用的温度为80～120℃。
优选地，所述步骤2中氮气环境下热解改性的时间为30～90min。
优选地，所述步骤2中磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁的重量比为2：1.5：1。
本发明的目的之二在于提供所述方法制备得到的改性谷壳生物炭。
本发明的目的之三在于提供所述的改性谷壳生物炭在作为土壤改良剂中的用途。该改性谷壳生物炭的用量为1000～3000kg/hm2，可用于红壤酸化改良和土壤培肥，镉轻度污染农田的修复和利用。一般在土地翻耕时施入。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种改性谷壳生物炭的制备方法，本发明人通过大量的实验探索发现将谷壳生物炭通过重量比为1～3：1～2：1的磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁制备成的悬浊液，震荡后过滤，清洗、置换谷壳生物炭中的游离态和弱结合态镉，然后通过500～600℃的氮气环境下热解改性，最后得到的改性谷壳生物炭的比表面积更大；且全磷、全钾等矿质元素大幅增加。这是由于改性谷壳生物炭上的活性基团与磷酸根、钙、镁、钾离子进一步结合，生物炭孔隙结构进一步改造增加。且改性谷壳生物炭呈碱性，可以进一步钝化镉等重金属，孔隙度和比表面积进一步增加，同时钙镁钾等矿质元素大幅增加，是一种适宜于红壤等盐基离子贫乏的土壤培肥改良剂。
2、本发明提供的改性谷壳生物炭可作为土壤改良剂，通过田间试验表明，施用该改性生物炭材料可以钝化土壤镉、缓解土壤酸化，并提高作物产量。
具体实施方式
下面将结合实例对本发明的技术方案进行详细描述。下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为对本发明进行限制。实施例中未注明的具体技术或者条件，均按照本领域内的文献所记载或本领域常规技术手段进行操作。
实施例1
本实施例提供了一种改性谷壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中300℃下热裂解2～4h，制备得到谷壳生物炭，磨碎过300目筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌震荡24h，过滤、100℃下烘干；然后在600℃的氮气环境下热解改性30min，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为2：1：1的磷酸钙(10g)、磷酸钾(5g)和氢氧化镁(5g)制备成的悬浊液100mL，所述改性盐的总质量为所述谷壳生物炭质量(50g)的40％。
实施例2
本实施例提供了一种改性谷壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中400℃下热裂解2～4h，制备得到谷壳生物炭，磨碎过100目筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌震荡24h，过滤、100℃下烘干；然后在550℃的氮气环境下热解改性60min，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为2：1.5：1的磷酸钙(10g)、磷酸钾(7.5g)和氢氧化镁(5g)制备成的悬浊液100mL，所述改性盐的总质量为所述谷壳生物炭质量(50g)的45％。
实施例3
本实施例提供了一种改性谷壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中500℃下热裂解2～4h，制备得到谷壳生物炭，磨碎过500目筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌震荡36h，过滤、100℃下烘干；然后在550℃的氮气环境下热解改性90min，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为3：2：1的磷酸钙(15g)、磷酸钾(10g)和氢氧化镁(5g)制备成的悬浊液100mL，所述改性盐的总质量为所述谷壳生物炭质量(100g)的30％。
实施例4
本实施例提供了一种改性谷壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中500℃下热裂解2～4h，制备得到谷壳生物炭，磨碎过500目筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌震荡12h，过滤、100℃下烘干；然后在550℃的氮气环境下热解改性90min，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为1：2：1的磷酸钙(5g)、磷酸钾(10g)和氢氧化镁(5g)制备成的悬浊液100mL，所述改性盐的总质量为所述谷壳生物炭质量(40g)的50％。
对比例1
谷壳生物炭：烘干谷壳，在氮气环境中400℃热裂解4h，制备成谷壳生物炭。磨碎，过100目筛备用。
对比例2
磷酸钙改性谷壳炭：取谷壳生物炭粉50g，加入磷酸钙20g，加入100mL蒸馏水，搅拌均匀，浸泡24h。100度烘干，600℃氮气环境下热解改性60min。
对比例3
磷酸钾改性谷壳炭：取谷壳生物炭粉50g，加入到磷酸钾20g，加入100mL蒸馏水，搅拌均匀，浸泡24h。100度烘干，600℃氮气环境下热解改性60min。
对比例4
氢氧化镁改性谷壳炭：取谷壳生物炭粉50g，加入氢氧化镁20g，加入100mL蒸馏水，搅拌均匀，浸泡24h。100度烘干，600℃氮气环境下热解改性60min。
实验例1
将实施例1-4以及对比例1-4的谷壳炭的性能对比结果如表1所示。
表1-不同猪粪改性材料的性能对比
Figure BDA0002304346310000061
由表1可知，与对比例1-4相比，本发明的实施例1-4的改性谷壳生物炭的比表面积更大；且全磷、全钾等矿质元素大幅增加，降低了重金属含量。
实验例2
实验在江西某稻田进行，土壤pH值为5.6，有机质2.3％，试验设置不同的组别包括：不施生物炭，施用谷壳、未改性谷壳生物炭(对比例1)、对比例2-对比例4改性谷壳生物炭，以及实施例1-实施例4的改性谷壳生物炭。每组的化肥用量统一为N 180kg/hm2，P2O560kg/hm2，K2O 150kg/hm2。谷壳和生物炭用量均为3000kg/hm2。实验结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002304346310000071
由表2可知，与对比例1-4相比，水稻产量更高，土壤有机质有所提高，土壤重金属(土壤镉)含量有所降低。综上表明，本发明提供的改性谷壳生物炭可作为土壤改良剂，通过田间试验表明，施用该改性生物炭材料可以钝化土壤镉、缓解土壤酸化，并提高作物产量。
所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤1、谷壳炭化得到谷壳生物炭：将干燥谷壳，在无氧环境中300～500℃下热裂解，制备得到谷壳生物炭，磨碎过筛备用；
步骤2、谷壳生物炭改性：将步骤1所得的谷壳生物炭加入改性盐搅拌，过滤、烘干；然后在500～600℃的氮气环境下热解改性，制备得到该改性谷壳生物炭；所述改性盐为将重量比为1～3：1～2：1的磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁制备成的悬浊液，所述改性盐的溶质质量为所述谷壳生物炭质量的30～50％。
2.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤1中干燥谷壳为晒干或烘干谷壳，热裂解时间为2～4h。
3.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述过筛采用100～500目筛。
4.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2中加入改性盐搅拌的时间为12～36h。
5.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2中烘干时选用的温度为80～120℃。
6.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2中氮气环境下热解改性的时间为30～90min。
7.如权利要求1所述的改性谷壳生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2中磷酸钙、磷酸钾和氢氧化镁的重量比为2：1.5：1。
8.权利要求1-7任一所述方法制备得到的改性谷壳生物炭。
9.权利要求8所述的改性谷壳生物炭作为酸性土壤改良剂的用途。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于，所述改性谷壳生物炭施入土壤中的用量为1000～3000kg/hm2。
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