CN112374941A - 一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用农作物秸秆为原料制备的土壤修复剂，通过对农作物秸秆采用蒸汽爆破的预处理，使得农作物秸秆中有效成分的利用效率提高，将爆破后的秸秆粉末进行发酵和热解活化处理分别制备秸秆的发酵产物和生物炭，再与秸秆粉、凹凸棒土，磷矿粉，草木灰，氧化剂，保水剂等辅助组分进行混合制备土壤修复剂，所述土壤修复剂修复效果好，无毒副作用，制备方便，能够快速修复被有机物特别是农药污染的土壤，既能高效修复污染土壤，又能实现生物质资源特别是农作物秸秆的资源化利用。

Description

一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂
技术领域
本发明属于土壤修复领域，具体涉及一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂。
背景技术
土壤污染已成为世界性问题，有机物污染尤其是持久性有机污染物污染是土壤污染的一个主要类型。据初步统计，目前我国受到农药等有机物污染的耕地至少有1300～1600万公顷，且呈日趋加剧的态势。土壤污染可影响农作物产量和质量的下降，并可通过食物链危害人类的健康，也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。因此土壤污染的治理已经刻不容缓。
污染土壤修复一般是通过转移、吸附、转化和降解土壤中的污染物，使其浓度降低到可以接受的水平，或将有毒有害物质转化为无毒无害的物质。目前，主要修复方法包括物理分离法、溶液淋漓法、固定转化法、电动力法、萃取法、氧化法、还原法、土壤修复剂法及生物修复法等。但这些技术不同程度的存在成本高、修复污染单一、修复效果有待提高等一种或几种不足。
作为农业大国，我国每年都会产生大量的生物质材料，比如秸秆资源，但目前秸秆资源多被闲置浪费或就地焚烧，造成严重的环境问题。如：每年秋收时，大量秸秆焚烧，造成空气质量恶化，同时导致烟雾笼罩高速公路和机场，造成高速公路和机场关闭，对社会生活和生产产生诸多负面影响。因此农业秸秆的资源化利用和高效处置成为社会各界关注的热点。
生物质炭的多孔结构和表面丰富的含氧官能团使得生物质炭具有较强的吸附有毒物质的能力。研究表明将生物质炭施与土壤，可以吸附土壤中多种农药和多氯联苯等有机污染物，降低这些污染物在土壤中的化学活性和毒性。但是生物质炭在土壤中的吸附达到了饱和后，生物质炭吸附污染物的能力将下降或不再有吸附污染物能力。
目前市面上的多数土壤调理剂养分功能单一，养分不足，在改善土壤结构、提高微生物生长环境、改善土壤透气性方面的能力欠缺，且稳定性差，肥力效果不明显。因此，亟需针对有机物污染特别是农药污染土壤修复方法进行改良，利用现有的秸秆资源和生物质炭配合制备具有长期修复效果的土壤修复剂。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，依托我国丰富的秸秆资源，利用生物质炭的强吸附作用对有机污染物进行吸附和降解，达到长期修复土壤的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入1-3份的FeCl3，3-6份的钛酸酯偶联剂，2-4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为450-550℃，热解反应时间为1-1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2-4份钠基膨润土，3-5份腐殖酸，10-30份微生物菌剂，20-40份水，混合均匀，发酵7-10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物40-60份，步骤(2)制备的生物炭50-70份，凹凸棒土20-30份，磷矿粉10-30份，草木灰20-40份，氧化剂5-10份，保水剂2-4份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
优选地，所述秸秆选自大豆、高粱、甘蔗、小麦、玉米秸秆的一种或多种，所述秸秆粉碎处理为粉碎过10-20目筛，干燥至含水率≤15wt％；
优选地，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力1.8-3.5MPa、温度110℃～130℃的条件下，保压200-240s后释放压力；
优选地，所述微生物菌剂选自芽孢杆菌、酵母菌、假单胞菌和放线菌中的一种或多种；
优选地，所述氧化剂为过硫酸铵、过碳酸钠、过磷酸钙或过硫酸钠的一种或多种；
优选地，所述的保水剂是聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、淀粉接枝聚丙烯酸钠中的一种或多种；
优选地，所述凹凸棒土的粒径为100-300nm。
本发明的另一个目的在于提供一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂的制备方法，以重量份计，包括以下步骤：
(1)将秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入1-3份的FeCl3，3-6份的钛酸酯偶联剂，2-4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为450-550℃，热解反应时间为1-1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2-4份钠基膨润土，3-5份腐殖酸，10-30份微生物菌剂，20-40份水，混合均匀，发酵7-10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物40-60份，步骤(2)制备的生物炭50-70份，凹凸棒土20-30份，磷矿粉10-30份，草木灰20-4份，氧化剂5-10份，保水剂2-4份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用农作物秸秆为原料制备土壤修复剂，不仅能减少农业秸秆的堆积，实现农业秸秆固体废物的减量化处理和资源化利用，还能高效去除土壤中的污染物质，实现对污染土壤的高效修复。
具体来说，通过对农作物秸秆采用蒸汽爆破的预处理，使得农作物秸秆的有效成分的利用效率提高，将爆破后的秸秆粉末进行发酵和热解活化处理分别制备秸秆的发酵产物和生物炭，充分利用秸秆资源，实现资源的高效处理。
(2)本发明通过将秸秆的发酵产物和秸秆制备的生物炭进行复合，充分利用生物炭的吸附效果除去污染土壤的有机物，并利用发酵产物提高土壤肥力，快速实现土壤的修复。
具体来说，利用蒸汽爆破后的秸秆粉，掺杂FeCl3和钛酸酯偶联剂，经过高温热解反应形成掺杂Fe和Ti的生物质炭，利用掺杂元素的催化效果，能够降解吸附在生物质炭孔内的有机物，达到持续吸附降解有机物的效果，实现长期的土壤修复效果；同时，在土壤修复剂中添加发酵后的秸秆，能够快速的增加土壤的肥料，实现土壤的修复。
(3)本发明所述土壤修复剂修复效果好，无毒副作用，制备方便，能够快速修复被有机物特别是农药污染的土壤，既能高效修复污染土壤，又能实现生物质资源特别是农作物秸秆的资源化利用。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
实施例1
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将大豆秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过120目筛，干燥至含水率≤15wt％；，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力3.5MPa、温度130℃的条件下，保压240s后释放压力；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入3份的FeCl3，6份的钛酸酯偶联剂，4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为550℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入4份钠基膨润土，5份腐殖酸，30份微生物菌剂，40份水，混合均匀，发酵10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物60份，步骤(2)制备的生物炭70份，凹凸棒土20份，磷矿粉30份，草木灰40份，氧化剂10份，保水剂2份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
所述微生物菌剂为芽孢杆菌和酵母菌；所述氧化剂为过硫酸铵和过碳酸钠重量比1:1的混合物；所述的保水剂是聚丙烯酸钾；所述凹凸棒土的粒径为100nm。
实施例2
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将高梁秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过10目筛，干燥至含水率≤15wt％；，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力2MPa、温度110℃的条件下，保压200s后释放压力；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2份的FeCl3，4份的钛酸酯偶联剂，2份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为500℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2份钠基膨润土，5份腐殖酸，20份微生物菌剂，20份水，混合均匀，发酵10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物60份，步骤(2)制备的生物炭60份，凹凸棒土20份，磷矿粉10份，草木灰20份，氧化剂10份，保水剂4份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
所述微生物菌剂为芽孢杆菌、酵母菌和放线菌；所述氧化剂为过硫酸铵和过硫酸钠重量比2:1的混合物；所述的保水剂是聚丙烯酸钾，粉接枝聚丙烯酸钠中重量比1:2的混合物；所述凹凸棒土的粒径为300nm。
实施例3
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将甘蔗秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过20目筛，干燥至含水率≤15wt％；，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力2.2MPa、温度120℃的条件下，保压240s后释放压力；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入3份的FeCl3，6份的钛酸酯偶联剂，2份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为480℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入4份钠基膨润土，5份腐殖酸，30份微生物菌剂，40份水，混合均匀，发酵9天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物50份，步骤(2)制备的生物炭50份，凹凸棒土30份，磷矿粉30份，草木灰30份，氧化剂8份，保水剂3份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。所述微生物菌剂选自芽孢杆菌、酵母菌、假单胞菌和放线菌；所述氧化剂为过硫酸铵；所述的保水剂是聚丙烯酸铵；所述凹凸棒土的粒径为200nm。
对比例1
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将大豆秸秆干燥粉碎后进行制备秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过120目筛，干燥至含水率≤15wt％；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入3份的FeCl3，6份的钛酸酯偶联剂，4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为550℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入4份钠基膨润土，5份腐殖酸，30份微生物菌剂，40份水，混合均匀，发酵10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物60份，步骤(2)制备的生物炭70份，凹凸棒土20份，磷矿粉30份，草木灰40份，氧化剂10份，保水剂2份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
所述微生物菌剂为芽孢杆菌和酵母菌；所述氧化剂为过硫酸铵和过碳酸钠重量比1:1的混合物；所述的保水剂是聚丙烯酸钾；所述凹凸棒土的粒径为100nm。
对比例2
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将大豆秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过120目筛，干燥至含水率≤15wt％；，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力3.5MPa、温度130℃的条件下，保压240s后释放压力；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入3份的FeCl3，6份的钛酸酯偶联剂，4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为600℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入4份钠基膨润土，5份腐殖酸，30份微生物菌剂，40份水，混合均匀，发酵10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物60份，步骤(2)制备的生物炭70份，凹凸棒土20份，磷矿粉30份，草木灰40份，氧化剂10份，保水剂2份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
所述微生物菌剂为芽孢杆菌和酵母菌；所述氧化剂为过硫酸铵和过碳酸钠重量比1:1的混合物；所述的保水剂是聚丙烯酸钾；所述凹凸棒土的粒径为100nm。
对比例3
一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将大豆秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；所述秸秆粉碎处理为粉碎过120目筛，干燥至含水率≤15wt％；，所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力3.5MPa、温度130℃的条件下，保压240s后释放压力；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入3份的FeCl3，4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为550℃，热解反应时间为1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入4份钠基膨润土，5份腐殖酸，30份微生物菌剂，40份水，混合均匀，发酵10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物60份，步骤(2)制备的生物炭70份，凹凸棒土20份，磷矿粉30份，草木灰40份，氧化剂10份，保水剂2份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
所述微生物菌剂为芽孢杆菌和酵母菌；所述氧化剂为过硫酸铵和过碳酸钠重量比1:1的混合物；所述的保水剂是聚丙烯酸钾；所述凹凸棒土的粒径为100nm。
农药吸附测试：
按照土壤修复剂和被污染土壤重量比10g:1Kg的比例混合均匀，以不添加土壤修复剂的土壤为对照，每7天测试土壤中农药(乐果)含量(mg/Kg)，结果见表1：
表1：
Figure BDA0002786461010000091
从表1的实验数据可知，与未添加土壤修复剂的空白组相比，添加本发明的土壤修复剂后农药的去除率得到明显改善，进一步来说，与对比例相比，本发明通过对秸秆进行蒸汽爆破预处理、以及热解温度和钛酸酯偶联剂的调整极大的改善了对土壤中农药的去除效果。
本领域的技术人员容易理解，以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：以重量份计，由以下步骤制备而成：
(1)将秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入1-3份的FeCl3，3-6份的钛酸酯偶联剂，2-4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为450-550℃，热解反应时间为1-1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2-4份钠基膨润土，3-5份腐殖酸，10-30份微生物菌剂，20-40份水，混合均匀，发酵7-10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物40-60份，步骤(2)制备的生物炭50-70份，凹凸棒土20-30份，磷矿粉10-30份，草木灰20-40份，氧化剂5-10份，保水剂2-4份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
2.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：所述秸秆选自大豆、高粱、甘蔗、小麦、玉米秸秆的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：所述秸秆粉碎处理为粉碎过10-20目筛，干燥至含水率≤15wt％。
4.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：
所述蒸汽爆破处理为：在蒸汽压力1.8-3.5MPa、温度110℃～130℃的条件下，保压200-240s后释放压力。
5.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：
所述微生物菌剂选自芽孢杆菌、酵母菌、假单胞菌和放线菌中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：所述氧化剂为过硫酸铵、过碳酸钠、过磷酸钙或过硫酸钠的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：所述的保水剂是聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、淀粉接枝聚丙烯酸钠中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种利用农作物秸秆和生物炭制作的土壤修复剂，其特征在于：所述凹凸棒土的粒径为100-300nm。
9.一种权利要求1-8任一项权利要求所述的土壤修复剂的制备方法，以重量份计，包括以下步骤：
(1)将秸秆干燥粉碎后进行蒸汽爆破处理制备爆破秸秆粉；
(2)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入1-3份的FeCl3，3-6份的钛酸酯偶联剂，2-4份的沸石混合均匀，放入热解活化装置，在无氧条件下进行高温热解反应，生成生物炭，热解反应温度为450-550℃，热解反应时间为1-1.5h；
(3)取步骤(1)的秸秆粉100份，加入2-4份钠基膨润土，3-5份腐殖酸，10-30份微生物菌剂，20-40份水，混合均匀，发酵7-10天，制备秸秆发酵产物；
(4)称取步骤(1)制备的秸秆粉100份，步骤(3)制备的秸秆发酵产物40-60份，步骤(2)制备的生物炭50-70份，凹凸棒土20-30份，磷矿粉10-30份，草木灰20-4份，氧化剂5-10份，保水剂2-4份混合均匀，即制备得到土壤修复剂。
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