CN111100645A - 一种生物炭基组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种生物炭基组合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于土壤治理领域，尤其涉及一种生物炭基组合物及其制备方法和应用。本发明的制备方法，包括：称取去杂的棕榈丝后，烘干粉碎，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过筛，盐酸浸泡，洗涤烘干后制得第一中间产品；称取制碱废渣，烘干粉碎过筛，制得第二中间产品；将第一中间产品与第二中间产品混合，烘干后过筛，制得生物炭基组合物。本发明的技术方案，有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，提高土壤所种植农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。

Description

一种生物炭基组合物及其制备方法和应用
本申请是申请日为2016年06月17日，申请号为201610446794.3，发明为《一种生物炭基组合物在重金属污染土壤改良中的应用》的分案申请。
技术领域
本发明属于土壤治理领域，尤其涉及一种生物炭基组合物及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国城市化及工业化进程的加快，电镀、钢铁和印染等工业“三废”的排放日益增多，以及农业生产中含有重金属的农药、化肥的不合理施用等，使得重金属通过各种不同的途径进入土壤。据2015年环境保护部和国土资源部联合颁布的《全国土壤状况调查公报》指出，农田土壤重金属超标达19.4％，且污染面积逐年增加，严重威胁人体健康和粮食安全。因此，如何有效地修复重金属污染土壤，维持土壤的可持续利用，已成为我国大部分地区亟需解决的突出环境问题。
目前受重金属污染的土壤修复技术可分为原位修复和异位修复，由于具有经济且可以对深层污染土壤进行修复的优点，原位修复受到了人们的广泛关注。传统上采用生石灰、粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉等碱性物质为原料，通过翻耕、搅拌等方式将土壤表层与修复材料混合均匀。然而，这些碱性物质一般原料难得、成本较高，或属于化工产品，易导致二次环境污染，难以大规模推广应用。此外，长期大量地使用这些碱性物质会引起土壤板结，还会引起土壤中Ca、Mg、K等元素的平衡失调，从而导致修复效果不够稳定、持续时间不长，并不能达到恢复土地生产力的效果。
近年来，生物炭由于具有多孔性、高比表面积、较强表面吸附、高度化学惰性和芳香化结构，以及富含羟基、酚羟基和羧基等官能团等特性，其在土壤改良和环境保护方面成为国内外研究的热点。已有研究利用泥炭和碱渣、石灰等碱性调节剂复配制备炭基土壤调理剂，用于治理重金属污染的土壤。一方面利用生物炭突出的生物化学稳定性、较强的持水保肥性和对重金属极强的吸附特性，同时联合发挥碱渣等碱性调节剂所提供作物所需的Ca、Mg等营养元素，实现既对土壤重金属的钝化修复同时，又能改良土壤酸性，提高土壤养分、从而促进作物生长，提高作物产量和品质。因此，研发出一种稳定环保高效的用于重金属污染土壤的炭基土壤调理剂，用于解决现有技术中，修复重金属污染土壤主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长等技术缺陷，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种生物炭基组合物及其制备方法和应用，用于解决现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。
本发明提供了一种生物炭基组合物，所述生物炭基组合物的原料为：生物炭和碱性调节剂；所述生物炭由农林废弃物制得。
优选的，以质量份计，所述生物炭基组合物的原料为：生物炭10份和碱性调节剂1～3份。
优选的，所述农林废弃物选自：木屑、谷壳、中药渣、花生壳、玉米秸秆、小麦秸秆、椰丝和棕榈丝中的一种或多种。
优选的，所述碱性调节剂为：制碱废渣和/或石灰。
优选的，所述碱性调节剂的pH为10～12。
优选的所述碱性调节剂还包括：含钙化合物、含镁化合物和含硅化合物。
本发明还提供了生物炭基组合物的制备方法，包括以下步骤：
称取去杂的棕榈丝1000g后，烘干粉碎至粒径小于20mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡6小时，洗涤烘干后制得棕榈丝生物炭，为第一中间产品；
称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品；
将200g的所述第一中间产品与60g的所述第二中间产品混合，烘干后过100目筛，制得生物炭基组合物。
优选的，所述碱渣为：氨碱法生产纯碱后干燥的工业废渣粉状物，所述碱渣中的CaO含量大于等于39％，所述碱渣中的MgO含量大于等于10％，所述碱渣中的SiO2大于等于2％。
优选的，所述石灰中的CaO含量大于等于40％，所述石灰中的MgO含量大于等于24％，所述石灰中的SiO2大于等于2％。
本发明还提供了一种生物炭基组合物，包括所述的制备方法制得生物炭基组合物。
本发明还提供了一种包括以上任意一项所述的生物炭基组合物在土壤改良中的应用。
本发明还提供了一种包括以上任意一项所述的生物炭基组合物在降低土壤中重金属含量中的应用。
综上所述，与现有重金属污染土壤修复技术相比，本发明的生物炭基组合物及其应用具有如下优点:
1、对土壤重金属污染修复效果显著。本发明依靠生物炭表面结构疏松多孔、比表面积大，吸附能力较强等特性，能够长效、稳定钝化农田土壤中的重金属，减少其生物有效性，同时利用碱渣等碱性调节剂可增加土壤中钙、镁元素含量，进而提高土壤肥力，调节pH值，改善土壤团粒结构，达到综合改良重金属污染农田的效果。
2、原料来源广泛，生产工艺简单。本发明的生物炭和碱渣等原料选自工农业废弃物，来源广泛，工艺简单，成本低廉。
3、安全环保，对环境友好。本发明采用的生物炭基组合物及其应用方法，还可以增加土壤碳汇，减少温室气体的排放。所用的原材料经过无害化处理，在应用过程中不会产生二次污染。
综上所述，本发明公开了一种生物炭基组合物的制备方法。本发明提供的生物炭基组合物可以应用于土壤改良，还可以应用于降低土壤中重金属含量。经实验测定可得，根据本发明的制备方法制得的生物炭基组合物，可有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，进一步地，提高土壤所种植农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。同时，本发明提供的一种生物炭基组合物，还具有成本低廉、方便易得以及不易造成二次污染的优点。
具体实施方式
本发明提供了一种生物炭基组合物及其制备方法和应用，用于解决现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更详细说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种生物炭基组合物在重金属污染土壤改良中的应用，进行具体地描述。
实施例1
称取木屑1000g后，烘干粉碎至粒径小于25mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min升温至550℃后，保温3小时，研磨后过20目筛，用lmol/L盐酸浸泡3小时，洗涤烘干后制得木屑生物炭，即为第一中间产品1。
称取制碱废渣100g，烘干粉碎，过60目筛，制得第二中间产品1。
将250g第一中间产品1与50g第二中间产品1混合，烘干后过100目筛，制得产品1。
实施例2
称取谷壳1000g后，烘干粉碎至粒径小于10mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至250℃，停留25min，然后以3℃/min升温至550℃后，保温2小时，研磨过100目筛，用3mol/L盐酸浸泡1小时，洗涤烘干后制得谷壳生物炭，即为第一中间产品2。
称取石灰100g，烘干粉碎，过60目筛，制得第二中间产品2。
将300g第一中间产品2与30g第二中间产品2混合，烘干后过80目筛，制得产品2。
实施例3
称取玉米秸秆1000g后，烘干粉碎至粒径小于10mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以10℃/min升温至260℃，停留45min，然后以2℃/min升温至750℃后，保温1小时，研磨过100目筛，用2mol/L盐酸浸泡2小时，洗涤烘干后制得玉米秸秆生物炭，即为第一中间产品3。
称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品3。
将200g第一中间产品3与60g第二中间产品3混合，烘干后过80目筛，制得产品3。
实施例4
称取小麦秸秆1000g，后，烘干粉碎至粒径小于15mm，置入气氛箱式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min升温至240℃，停留55min，然后以4℃/min升温至550℃后，保温1小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡1小时，洗涤烘干后制得小麦秸秆生物炭，即为第一中间产品4。
称取制碱废渣100g和石灰100g充分混匀，烘干粉碎后过60目筛，制得第二中间产品4。
将300g第一中间产品4与30g第二中间产品4混合，烘干后过20目筛，制得产品4。
实施例5
称取晾干的花生壳1000g后，烘干粉碎至粒径小于25mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以10℃/min升温至250℃，停留20min，然后以3℃/min升温至350℃后，保温3小时，研磨过60目筛，用3mol/L盐酸浸泡2小时，洗涤烘干后制得花生壳生物炭，即为第一中间产品5。
称取石灰100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品5。
将250g第一中间产品5与50g第二中间产品5混合，烘干后过60目筛，制得产品5。
实施例6
称取去杂的棕榈丝1000g后，烘干粉碎至粒径小于20mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡6小时，洗涤烘干后制得棕榈丝生物炭，即为第一中间产品6。
称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品6。
将200g第一中间产品6与60g第二中间产品6混合，烘干后过100目筛，制得产品6。
实施例7
本实施例为产品6的有益效果测定实验。
本实施例的试验地点位于广东省韶关市仁化县董塘镇，选择典型的酸性红壤且受铅、镉重金属污染土壤地块，土壤pH值为4.87，有效铅含量为439.4mg/kg，有效镉含量为6.56mg/kg。根据土壤环境质量标准(GB 15618-1995)判定，其污染水平超过土壤环境质量二级标准。供试作物为广东省农业科学院作物研究所已鉴定玉米品种(粤甜9号)。
本次测定共分成四个对照组。组别1：对照(CK)，不施生物炭基组合物；组别2：玉米种植前一次性施加667kg/亩的棕榈丝生物炭；组别3：玉米种植前一次性施加200kg/亩碱性调节剂；组别4：玉米种植前一次性施加667kg/亩产品6。每个处理3次重复，随机排列，每个小区面积为2m*10m＝20m2。
在玉米播种前，将各处理改良剂与表层土壤翻耕、耙匀，淋水后平衡7天，播种玉米，出苗后各处理的田间管理及养分管理一致，至玉米收获后，采集该田块表层土壤(0-30cm)，分析土壤pH以及有效铅、有效镉等重金属含量，统计各处理玉米产量及其籽粒铅、镉等重金属含量，以考察生物炭基组合物改良重金属污染农田的效果。所得检测结果请参阅表1至表3。
表1：土壤pH及重金属含量
Figure BDA0002292347900000061
表2：玉米产量
Figure BDA0002292347900000062
Figure BDA0002292347900000071
表3：玉米粒中重金属含量
Figure BDA0002292347900000072
表1试验结果表明，施加生物炭和碱性调节剂均可提高土壤的pH值，分别比对照增加了0.42和1.46个单位；而产品6应用效果最好，其pH值比对照增加了2.04个单位。表1结果还显示，单施生物炭及碱性调节剂均能显著降低土壤有效铅和有效镉含量，其有效铅的含量分别比对照降低了11.3％和26.4％，有效镉则分别降低了23.9％和37.6％；而产品6的改良效果最佳，其土壤有效铅和有效镉含量分别比对照降低了41.5％和54.3％。
由表2和表3可知，添加生物炭、碱性调节剂均能显著增加玉米的产量。产品6增产效果一定程度优于单施生物炭或碱性调节剂，其小区平均产量是对照的4.95倍，折合亩产1100.2公斤每亩，并且收获的玉米籽粒虽未达到食品卫生安全标准的限量要求(铅≤0.2mg/kg；镉≤0.1mg/kg)，但其铅和镉含量比对照分别降低了58.9％和81.4％，对玉米的品质具有明显的改善作用。
可见，本发明提供的技术方案，通过提高土壤pH值和降低土壤有效铅、有效镉含量，实现了土壤理化性质的改良，促进了玉米的生长进而提高了玉米的产量和品质，且试验的效果均比单施生物炭或碱性调节剂的应用效果好，可持续稳定并降低土壤重金属及其生物有效性，实现改良南方重金属污染土壤的理化性质，更好地恢复农田的生产力，提高农作物产量及品质的效果。
对产品1～产品5重复上述实验，得到类似的实验结果，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供了一种生物炭基组合物，所述生物炭基组合物的原料为：生物质和碱性调节剂；所述生物质选自农林废弃物中的任意一种或多种。本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用，本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在降低土壤中重金属含量中的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案，可有效降低土壤中重金属的含量，改善土壤的pH，进一步地，提高土壤所种植的农作物的产量。解决了现有技术中，修复重金属污染主要存在着修复效果不稳定、持续时间不长的技术缺陷。同时，本发明提供的一种生物炭基组合物，还具有成本低廉、方便易得以及不易造成二次污染的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种生物炭基组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
称取去杂的棕榈丝1000g后，烘干粉碎至粒径小于20mm，置入真空管式炉，抽真空后通入氮气作为保护气体，以8℃/min升温至230℃，停留45min，然后以2℃/min升温至650℃后，保温2小时，研磨过20目筛，用1mol/L盐酸浸泡6小时，洗涤烘干后制得棕榈丝生物炭，为第一中间产品；
称取制碱废渣100g，烘干粉碎过60目筛，制得第二中间产品；
将200g的所述第一中间产品与60g的所述第二中间产品混合，烘干后过100目筛，制得生物炭基组合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱渣为：氨碱法生产纯碱后干燥的工业废渣粉状物，所述碱渣中的CaO含量大于等于39％，所述碱渣中的MgO含量大于等于10％，所述碱渣中的SiO2大于等于2％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石灰中的CaO含量大于等于40％，所述石灰中的MgO含量大于等于24％，所述石灰中的SiO2大于等于2％。
4.一种生物炭基组合物，其特征在于，包括权利要求1至3任意一项所述的制备方法制得生物炭基组合物。
5.一种包括权利要求1至3任意一项所述的制备方法制得的生物炭基组合物或权利要求4所述的生物炭基组合物在土壤改良中的应用。
6.一种包括权利要求1至3任意一项所述的制备方法制得的生物炭基组合物或权利要求4所述的生物炭基组合物在降低土壤中重金属含量中的应用。
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