CN111994908B - 一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法 - Google Patents

一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，具体涉及农业种植领域，包括原料破碎→浸泡液配制→物料浸泡→物料发酵→清洗→物料加热炭化→包装的步骤。本发明通过制得大孔径的生物质炭，生物质炭的大孔隙度和孔径分布会改变养分的渗滤模式，增加养分在土壤中的停留时间和养分量，增强离子吸附交换能力和吸附容量，能够吸附土壤中铵态氮、硝态氮、可溶性氮、可溶性磷，减少氮、磷等养分的流失，因此土壤中添加生物炭促进了对氮磷的吸收和吸附，延缓养分在土壤中释放，一定程度上减少养分流失，有利于减少土壤中硝态氮淋失，增加养分在土壤中的停留时间和养分量。

Description

一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法
技术领域
本发明涉及农业种植技术领域，更具体地说，本发明涉及一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法。
背景技术
生物质炭是指由富含碳的生物质在无氧或缺氧条件下经过高温裂解生成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质。它含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团，是一种多功能材料。它不仅可以改良土壤、增加肥力，吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物，而且对碳氮具有较好的固定作用，施加于土壤中，可以减少CO2、N2O、CH4等温室气体的排放，减缓全球变暖。在限氧或者无氧的条件下对生物质进行热裂解，产生的富碳固体物质，称为生物质炭。
生物质活性炭的主要制备方式有物理法、化学法、化学与物理结合法三种。物理法是对农业废弃物原料进行炭化，使含碳有机物在加热状态下发生分解，非碳元素以挥发性气体逸出，生成富含碳元素的固体热解产物，然后用二氧化碳、水蒸气或空气等氧化性气体活化，使其形成发达的微孔结构；化学改性法是利用各类化学试剂，如H2SO4、ZnCl2、H3PO4先浸渍原材料进行改性，然后在一定的温度下，在惰性气体保护下，产生活性炭；化学和物理结合法：物理法制备活性炭的优点在于不需要用到化学试剂，对环境带来的影响比较小，缺点是生产活性炭的效率不高，同时产生的活性炭孔径比较大，比表面积较小，吸附能力比较差。化学法制备活性炭的方法通过活化剂先对材料进行处理，可以获得微孔较多，比表面积大的活性炭；但是由于前期处理中用了化学试剂，后期需要进行相应处理以减轻化学试剂对环境带来的影响。随着科技发展，化学和物理结合的方法越来越受到人们关注。
现有的方法制备出的生物质炭；现有的农业生态系统中存在土壤氮磷的流失等方面问题，而生物炭凭借其特殊的材料结构和理化性质，影响着土壤中氮磷的存在，生物炭能够增加农作物对土壤中氮磷养分的吸附作用，提高作物的存活率和产量；改善土壤理化性质，起到减少土壤中氮磷养分的流失作用；降低田面水中氮磷的流失，抑制土壤中氮磷淋失，减少氨挥发损失，改善肥料效益。但在实际使用过程中研究发现，生物质炭的的中孔隙与其吸附能力相对应，而现有的方法制备出的生物质炭仅与其原材料相关，从而无法提高其自身的吸附能力。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，本发明所要解决的技术问题是：如何在制备生物质炭过程中增大其孔径，从而提高其性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，具体制备步骤如下：
S1、原料破碎：取修剪掉的树枝和落叶作为原材料，对其进行冲洗去除表面黏附的泥土或碎石子杂物，风干2-3d，将其投放到破碎机中进行破碎处理，并将破碎料放入孔径为5mm的筛网进行筛选；
S2、浸泡液配制：使用NaH2PO4或KH2PO4与水混合稀释调配酸性磷酸缓冲液，随后向制得的磷酸缓冲液加入氯化锌，均匀搅拌制得浸泡液；
S3、物料浸泡：
S3.1：将步骤S1得到的达标的破碎料倒入步骤S2制得的浸泡液中，保证液面完全没过破碎料，持续浸泡3-5d；
S3.2：步骤S3.1浸泡期间，定期向浸泡液中补充氯化锌并搅拌均匀，保证浸泡液中氯化锌的浓度值；
S4、物料发酵：待步骤S3中物料浸泡工序完成后，捞出浸泡完成后的物料过滤掉滤液后集中存放，并加入酵母菌拌合完全，在无氧环境中静置发酵10-12d；
S5、清洗：待步骤S4中发酵周期到达时长后，捞出发酵完成的物料，用流动活水进行冲洗，随后静置晾晒10-12h；
S6、物料加热炭化：取步骤S5晾晒完成的物料投放到微波高温马弗炉中，在无氧环境下进行高温波纹加热，加工完成后关闭微波高温马弗炉，在无氧环境下进行自主降温，保证无氧环境可避免燃烧或炭化过度，保证制得的生物质炭质量；
S7、包装：待微波高温马弗炉内温度降至75-85℃后开启炉门，取出制得的生物质炭冷却至室温后装袋密封保存，防止裸露在空气中造成吸附能力的降低。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1中直径未达标的破碎料再次放入破碎机进行破碎处理，直至所有破碎料直径均达标。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中NaH2PO4或KH2PO4的添加量设置为9.2g/L-11.864g/L，调配制得的酸性磷酸缓冲液pH值范围在4.8-5.6。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中氯化锌的添加量设置为12.4-15.6g/L，所述步骤S3.2中氯化锌的添加间隔设置为12-15h，单次氯化锌的添加量不低于1.5g/L。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S4中酵母菌的添加量设置为物料总重量的0.3％-0.4％，所述步骤S4中酵母菌选用为发酵型的酵母。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S5中活水冲洗时添加孔径为2.5mm的筛网，冲洗完成标准为物料检测pH值至6.5-7，所述晾晒完成标准为物料含水率低于15％。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S6中微波高温马弗炉的微波输出功率设置为700W，所述步骤S6中加热包括炭化阶段和活化阶段，所述炭化阶段的加热温度设置为600℃，炭加热时长设置为4-6h，所述活化阶段的加热温度设置为800-900℃，活化加热时长设置为2-2.5h。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S6中微波高温马弗炉的无氧环境设置为内腔填充保护气体，所述保护气体设置为氮气。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过制得大孔径的生物质炭，含多种化学官能团，能与阴阳离子发生螯合配位作用，使其也保持良好的吸附特性，特别是对阳离子的吸附，同样吸附土壤中氨氮、硝氮、磷养分物质，同时，生物质炭的大孔隙度和孔径分布会改变养分的渗滤模式，增加养分在土壤中的停留时间和养分量，增强离子吸附交换能力和吸附容量，能够吸附土壤中铵态氮、硝态氮、可溶性氮、可溶性磷，减少氮、磷等养分的流失，因此土壤中添加生物炭促进了对氮磷的吸收和吸附，延缓养分在土壤中释放，一定程度上减少养分流失，有利于减少土壤中硝态氮淋失，增加养分在土壤中的停留时间和养分量；
2、本发明通过酸性磷酸缓冲液的调配，可保证氯化锌在溶液中的离子电离，由氯化锌自身的溶解纤维素的能力，对破碎料进行细胞壁中纤维素进行一定的破坏，同时酸性磷酸缓冲液为后续的酵母菌发酵提供弱酸性环境，保证酵母在最佳的偏酸性的潮湿环境中进行无氧发酵，将破碎料细胞壁中的果胶成分进行分解单糖，并由酵母菌对单糖的继续发酵转换成酒精和二氧化碳，从而增大制得的发酵料中的间隙孔径，为后续的炭化得到的大孔径生物质炭备下基础。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，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。
实施例1：
本发明提供了一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，具体制备步骤如下：
S1、原料破碎：取修剪掉的树枝和落叶作为原材料，对其进行冲洗去除表面黏附的泥土或碎石子杂物，风干2-3d，将其投放到破碎机中进行破碎处理，并将破碎料放入孔径为5mm的筛网进行筛选，直径未达标的破碎料再次放入破碎机进行破碎处理，直至所有破碎料直径均达标；
S2、浸泡液配制：使用NaH2PO4或KH2PO4与水混合稀释调配酸性磷酸缓冲液，NaH2PO4或KH2PO4的添加量设置为9.2g/L-11.864g/L，调配制得的酸性磷酸缓冲液pH值范围在4.8-5.6，随后向制得的磷酸缓冲液加入氯化锌，均匀搅拌制得浸泡液，氯化锌的添加量设置为12.4-15.6g/L；
S3、物料浸泡：
S3.1：将步骤S1得到的达标的破碎料倒入步骤S2制得的浸泡液中，保证液面完全没过破碎料，持续浸泡3-5d；
S3.2：步骤S3.1浸泡期间，定期向浸泡液中补充氯化锌并搅拌均匀，保证浸泡液中氯化锌的浓度值，氯化锌的添加间隔设置为12-15h，单次氯化锌的添加量不低于1.5g/L；
S4、清洗：捞出发酵完成的物料，用流动活水进行冲洗，随后静置晾晒10-12h，活水冲洗时添加孔径为2.5mm的筛网，冲洗完成标准为物料检测pH值至6.5-7，晾晒完成标准为物料含水率低于15％；
S5、物料加热炭化：取步骤S4晾晒完成的物料投放到微波高温马弗炉中，在无氧环境下进行高温波纹加热，无氧环境设置为内腔填充保护气体，所述保护气体设置为氮气，加工完成后关闭微波高温马弗炉，在无氧环境下进行自主降温，微波高温马弗炉的微波输出功率设置为700W，加热包括炭化阶段和活化阶段，所述炭化阶段的加热温度设置为600℃，炭加热时长设置为4-6h，所述活化阶段的加热温度设置为800-900℃，活化加热时长设置为2-2.5h；
S6、包装：待微波高温马弗炉内温度降至75-85℃后开启炉门，取出制得的生物质炭冷却至室温后装袋密封保存。
实施例2：
本发明提供了一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，具体制备步骤如下：
S1、原料破碎：取修剪掉的树枝和落叶作为原材料，对其进行冲洗去除表面黏附的泥土或碎石子杂物，风干2-3d，将其投放到破碎机中进行破碎处理，并将破碎料放入孔径为5mm的筛网进行筛选，直径未达标的破碎料再次放入破碎机进行破碎处理，直至所有破碎料直径均达标；
S2、浸泡液配制：使用NaH2PO4或KH2PO4与水混合稀释调配酸性磷酸缓冲液，NaH2PO4或KH2PO4的添加量设置为9.2g/L-11.864g/L，调配制得的酸性磷酸缓冲液pH值范围在4.8-5.6，随后向制得的磷酸缓冲液加入氯化锌，均匀搅拌制得浸泡液，氯化锌的添加量设置为12.4-15.6g/L；
S3、物料浸泡：
S3.1：将步骤S1得到的达标的破碎料倒入步骤S2制得的浸泡液中，保证液面完全没过破碎料，持续浸泡3-5d；
S3.2：步骤S3.1浸泡期间，定期向浸泡液中补充氯化锌并搅拌均匀，保证浸泡液中氯化锌的浓度值，氯化锌的添加间隔设置为12-15h，单次氯化锌的添加量不低于1.5g/L；
S4、物料发酵：待步骤S3中物料浸泡工序完成后，捞出浸泡完成后的物料过滤掉滤液后集中存放，并加入酵母菌拌合完全，在无氧环境中静置发酵10-12d，酵母菌的添加量设置为物料总重量的0.3％-0.4％，酵母菌选用为发酵型的酵母；
S5、清洗：待步骤S4中发酵周期到达时长后，捞出发酵完成的物料，用流动活水进行冲洗，随后静置晾晒10-12h，活水冲洗时添加孔径为2.5mm的筛网，冲洗完成标准为物料检测pH值至6.5-7，晾晒完成标准为物料含水率低于15％；
S6、物料加热炭化：取步骤S5晾晒完成的物料投放到微波高温马弗炉中，在无氧环境下进行高温波纹加热，无氧环境设置为内腔填充保护气体，所述保护气体设置为氮气，加工完成后关闭微波高温马弗炉，在无氧环境下进行自主降温，微波高温马弗炉的微波输出功率设置为700W，加热包括炭化阶段和活化阶段，所述炭化阶段的加热温度设置为600℃，炭加热时长设置为4-6h，所述活化阶段的加热温度设置为800-900℃，活化加热时长设置为2-2.5h；
S7、包装：待微波高温马弗炉内温度降至75-85℃后开启炉门，取出制得的生物质炭冷却至室温后装袋密封保存。
实施例3：
本发明提供了一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，具体制备步骤如下：
S1、原料破碎：取修剪掉的树枝和落叶作为原材料，对其进行冲洗去除表面黏附的泥土或碎石子杂物，风干2-3d，将其投放到破碎机中进行破碎处理，并将破碎料放入孔径为5mm的筛网进行筛选，直径未达标的破碎料再次放入破碎机进行破碎处理，直至所有破碎料直径均达标；
S2、物料发酵：将步骤S1中破碎料加水湿润，并加入酵母菌拌合完全，在无氧环境中静置发酵10-12d，酵母菌的添加量设置为物料总重量的0.3％-0.4％，酵母菌选用为发酵型的酵母；
S3、清洗：待步骤S2中发酵周期到达时长后，捞出发酵完成的物料，用流动活水进行冲洗，随后静置晾晒10-12h，活水冲洗时添加孔径为2.5mm的筛网，冲洗完成标准为物料检测pH值至6.5-7，晾晒完成标准为物料含水率低于15％；
S4、物料加热炭化：取步骤S3晾晒完成的物料投放到微波高温马弗炉中，在无氧环境下进行高温波纹加热，无氧环境设置为内腔填充保护气体，所述保护气体设置为氮气，加工完成后关闭微波高温马弗炉，在无氧环境下进行自主降温，微波高温马弗炉的微波输出功率设置为700W，加热包括炭化阶段和活化阶段，所述炭化阶段的加热温度设置为600℃，炭加热时长设置为4-6h，所述活化阶段的加热温度设置为800-900℃，活化加热时长设置为2-2.5h；
S5、包装：待微波高温马弗炉内温度降至75-85℃后开启炉门，取出制得的生物质炭冷却至室温后装袋密封保存。
实施例4：
分别取上述实施例1-3所制得的生物质炭通过机械或人工的方式均匀撒入相同地质情况的常年耕种的土地中(400kg/hm2)，并附以播撒氮、磷肥(氮肥：167kg/hm2、磷肥：167kg/hm2)及空白地作为两个对照例，并对添加物进行质量检测，分五组进行相同农作物(大豆)的种植，得到以下数据：
Figure BDA0002627143230000081
Figure BDA0002627143230000091
由上表可知，实施例2中的制备方法最为适中，施加了该方法制备生物质炭的土地种植大豆，第一年长势旺盛，与施加氮磷肥有相同的长势激发，叶片墨绿、茎秆粗壮，无黄叶，且添加该方法制备的生物质炭后，第一年大豆亩产量与施加氮、磷肥土地产量相当，且连续多年种植后不施氮磷肥大豆产量仍保持良好。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：
S1、原料破碎：取修剪掉的树枝和落叶作为原材料，对其进行冲洗去除表面黏附的泥土或碎石子杂物，风干2-3d，将其投放到破碎机中进行破碎处理，并将破碎料放入孔径为5mm的筛网进行筛选；
S2、浸泡液配制：使用NaH2PO4或KH2PO4与水混合稀释调配酸性磷酸缓冲液，随后向制得的磷酸缓冲液加入氯化锌，均匀搅拌制得浸泡液，NaH2PO4或KH2PO4的添加量设置为9.2g/L-11.864g/L，调配制得的酸性磷酸缓冲液pH值范围在4.8-5.6；
S3、物料浸泡：
S3.1：将步骤S1得到的达标的破碎料倒入步骤S2制得的浸泡液中，保证液面完全没过破碎料，持续浸泡3-5d；
S3.2：步骤S3.1浸泡期间，定期向浸泡液中补充氯化锌并搅拌均匀，保证浸泡液中氯化锌的浓度值；
S4、物料发酵：待步骤S3中物料浸泡工序完成后，捞出浸泡完成后的物料过滤掉滤液后集中存放，并加入酵母菌拌合完全，在无氧环境中静置发酵10-12d，酵母菌的添加量设置为物料总重量的0.3%-0.4%，酵母菌选用为发酵型的酵母；
S5、清洗：待步骤S4中发酵周期到达时长后，捞出发酵完成的物料，用流动活水进行冲洗，随后静置晾晒10-12h；
S6、物料加热炭化：取步骤S5晾晒完成的物料投放到微波高温马弗炉中，在无氧环境下进行高温波纹加热，加工完成后关闭微波高温马弗炉，在无氧环境下进行自主降温，微波高温马弗炉的微波输出功率设置为700W，加热包括炭化阶段和活化阶段，所述炭化阶段的加热温度设置为600℃，炭加热时长设置为4-6h，所述活化阶段的加热温度设置为800-900℃，活化加热时长设置为2-2.5h；
S7、包装：待微波高温马弗炉内温度降至75-85℃后开启炉门，取出制得的生物质炭冷却至室温后装袋密封保存。
2.根据权利要求1所述的一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，其特征在于：所述步骤S1中直径未达标的破碎料再次放入破碎机进行破碎处理，直至所有破碎料直径均达标。
3.根据权利要求1所述的一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，其特征在于：所述步骤S2中氯化锌的添加量设置为12.4-15.6g/L，所述步骤S3.2中氯化锌的添加间隔设置为12-15h，单次氯化锌的添加量不低于1.5g/L。
4.根据权利要求1所述的一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，其特征在于：所述步骤S5中活水冲洗时添加孔径为2.5mm的筛网，冲洗完成标准为物料检测pH值至6.5-7，所述晾晒完成标准为物料含水率低于15%。
5.根据权利要求1所述的一种消减土壤氮磷的生物质炭制备方法，其特征在于：所述步骤S6中微波高温马弗炉的无氧环境设置为内腔填充保护气体，所述保护气体设置为氮气。
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