CN113881439A - 一种土壤修复生物炭改良材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤修复生物炭改良材料，包括以下原料：生物炭、腐殖酸、微生物菌剂、氨基酸、氨泥炭土、硅藻土、壳聚糖、活性炭纤维、聚丙烯酰胺、草炭土、有机肥、聚丙烯酸钠；本发明还公开了该改良材料的的制备方法，通过对生物炭进行改性实现对土壤的改善效果的提升，同时加入了有机肥料，使改良材料的肥力得到提升，并减少化肥用量，既节省了成本，也不会造成土壤贫瘠、板结、盐碱化，符合节能、环保、可持续发展的趋势。
Description
技术领域
本发明涉及土壤改良剂技术领域，更具体的说是涉及一种土壤修复生物炭改良材料及其制备方法。
背景技术
土壤是人类赖以生存的关键资源，是生态系统中具有可再生作用的自然资源，更是农业生态系统中的重要组成部分。然而，近年来由于人类的各种生产活动，重金属作为污染物进入土壤，特别是农业土壤，由于其稳定性和非微生物降解和矿化作用，且滞留时间长，其危害程度与大气污染和水污染不相上下。日益显著的土壤重金属污染问题，不仅会严重威胁人类的身体健康和生命安全，还会造成其他的环境污染问题，如水污染、大气污染。因此土壤重金属污染已引起广泛关注，其修复和生态系统的恢复是非常紧迫的。
生物炭(biochar)是由生物质(生物有机材料)在完全或部分缺氧的情况下经高温热裂解炭化产生的一类高度芳香化固态富碳物质，含有微量金属和主要营养成分，具有良好的理化性质，如孔隙率大、表面积大、阳离子交换能力强，能与主要营养循环相互作用，有利于有机肥过程中微生物的生长。而比表面积和孔隙率是影响生物炭重金属吸附能力的主要物理特征。生物炭表面有丰富的官能团和负电荷，对重金属离子有较强的吸附固定能力，能够改善土壤的理化性质，减少温室气体的排放。它既可以用作高品质的能源，土壤改良剂，也可以作为还原剂、肥料缓释载体以及二氧化碳封存剂等，广泛用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等多个方面，是一种新型、经济、绿色、资源化的重金属钝化修复材料。
生物炭改性后，其表面酸性官能团增加，能够对生物可利用的重金属进行螯合吸附，有利于提高土壤对重金属的吸附能力，对降低污染土壤重金属生物有效性提供额外保障，有利于复种农作物的生长。
而现有技术中，使用化学药剂或金属氧化物改性的生物炭用于土壤改良，向土壤中引入了潜在的污染物，带来了环境污染隐患。
因此，如何提供一种不会对环境造成污染，土壤修复效果优异的土壤修复生物炭改良材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种土壤修复生物炭改良材料及其制备方法，通过腐殖酸对生物炭进行改性，实现了对土壤的改善效果的提升，且不会对环境造成污染。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种土壤修复生物炭改良材料，按重量份数计，包括以下原料：生物炭30-45份、腐殖酸60-80份、微生物菌剂20-30份、农林废弃物20-30份、氨基酸7-9份、氨泥炭土6-8份、硅藻土12-13份、壳聚糖7-10份、活性炭纤维5-8份、聚丙烯酰胺5-11份、草炭土4-6份、有机肥5-8份、聚丙烯酸钠8-12份。
优选的，所述生物炭由木柴炭和秸秆炭混合得到，所述木柴炭和秸秆炭的质量比为1：(2-3)。
本发明使用木柴与玉米秸秆进行生物质炭的制备，得到的生物质炭能够有效的改善土壤。
优选的，所述微生物菌剂包括：光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌，所述光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌以及铜绿假单胞菌质量比为3：(2-4)：(1-2)：(4-5)。
优选的，所述农林废弃物包括竹炭、椰子壳、花生壳和核桃壳中的一种或多种混合。
本发明的另一个目的在于提供上述一种土壤修复生物炭改良材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物炭的制备：
将木柴烘干得到木柴炭，然后将玉米秸秆铡成7-9cm的玉米秸秆段，将玉米秸秆段置于阳光下晾晒至含水率＜9％得到干燥玉米秸秆，再将玉米秸秆段置于秸秆改性液中浸泡，得到改性玉米秸秆段，将改性玉米秸秆段放入热解装置进行热解，得到秸秆炭，最后按上述质量比将木柴炭与秸秆炭混合，研磨后过筛，得到生物炭粉末；
(2)生物炭改性：
将腐殖酸加入水中，得腐殖酸溶液，调节其pH至5.5-6.5，然后将所述生物炭粉末和腐殖酸溶液置于反应容器中混合均匀，最后除去溶液得改性生物炭粉末；
(3)微生物菌剂的制备：
将短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌按照上述质量比进行混合，搅拌均匀得到混合菌液；将混合菌液与光合细菌混合，搅拌均匀得到微生物菌剂；
(4)有机肥料的制备：
将农林废弃物粉碎，然后同氨基酸、泥炭土、硅藻土、壳聚糖、活性炭纤维、聚丙烯酰胺、草炭土、有机肥和聚丙烯酸钠一起放进搅拌设备内进行混合搅拌，搅拌时间为25-35min，搅拌设备转速为800-850r/min；得到有机肥料；
(5)生物炭改良材料的制备：
将改性生物炭粉末、微生物菌剂、有机肥料进行混合，置于造粒机中造粒，得到生物炭改良材料。
优选的，步骤(1)中所述烘干的温度为60-70℃，烘干时间为15-30h。
优选的，步骤(1)中所述秸秆改性液由钛酸四丁酯、异丙醇和硝酸按5：18：1的质量比比例混合得到；所述玉米秸秆段与秸秆改性液的比例为1kg：2.0-3.0L；所述浸泡时间为70-90min。
优选的，步骤(1)中所述热解的温度为510-540℃，热解的时间为30-60min。
优选的，步骤(2)中所述腐殖酸溶液的浓度为200-300mg/L；所述调节pH为通过浓度为通过0.1mol/L盐酸溶液或浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节其pH。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的土壤修复生物炭改良材料，使用非常方便，掺拌到土壤中，能够深层次的改善土壤的性质；通过对生物质炭的改性实现对土壤的改善效果的提升；在改良材料中加入有机肥料，能够实现对土壤改良的同时进行土壤肥力的提升，并减少化肥用量，既节省了成本，也不会造成土壤贫瘠、板结、盐碱化，符合节能、环保、可持续发展的趋势。
具体实施方式
下面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
一种土壤修复生物炭改良材料，包括：生物炭30g、腐殖酸60g、微生物菌剂20g、农林废弃物20g、氨基酸7g、氨泥炭土6g、硅藻土12g、壳聚糖7g、活性炭纤维5g、聚丙烯酰胺5g、草炭土4g、有机肥5g、聚丙烯酸钠8g；
其中生物炭由质量比为1:2的木柴炭和秸秆炭混合得到；
微生物菌剂中包括质量比为3：2：1：4的光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌。
实施例2
一种土壤修复生物炭改良材料：生物炭45g、腐殖酸80g、微生物菌剂30g、农林废弃物30g、氨基酸9g、氨泥炭土8g、硅藻土13g、壳聚糖10g、活性炭纤维8g、聚丙烯酰胺11g、草炭土6g、有机肥8g、聚丙烯酸钠12g；
其中，生物炭由质量比为1:3的木柴炭和秸秆炭混合得到；
微生物菌剂中包括质量比为3：4：2：5的光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌。
实施例3
一种土壤修复生物炭改良材料，按重量g数计，包括以下原料：生物炭37g、腐殖酸70g、微生物菌剂25g、农林废弃物25g、氨基酸8g、氨泥炭土7g、硅藻土12g、壳聚糖8g、活性炭纤维7g、聚丙烯酰胺8g、草炭土5g、有机肥6g、聚丙烯酸钠10g；
其中，生物炭由质量比为1:2的木柴炭和秸秆炭混合得到；
微生物菌剂中包括质量比为3：2：2：4的光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌。
实施例4
实施例1-3中土壤修复生物炭改良材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物炭的制备：
将木柴在60℃下烘干30h得到木柴炭，然后将玉米秸秆铡成9cm的玉米秸秆段，将玉米秸秆段置于阳光下晾晒至含水率＜9％得到干燥玉米秸秆，再将玉米秸秆段置于秸秆改性液中浸泡70min，得到改性玉米秸秆段，将改性玉米秸秆段放入热解装置在510℃下热解60min，得到秸秆炭，最后按质量比将木柴炭与秸秆炭混合，研磨后过筛，得到生物炭粉末；
其中秸秆改性液由钛酸四丁酯、异丙醇和硝酸按5：18：1的质量比比例混合得到；玉米秸秆段与秸秆改性液的比例为1kg：2.0L；
(2)生物炭改性：
将腐殖酸加入水中，配置得到200mg/L的腐殖酸溶液，调节其pH至5.5，然后将所述生物炭粉末和腐殖酸溶液置于反应容器中混合均匀，最后除去溶液得改性生物炭粉末；
(3)微生物菌剂的制备：
将短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌按照上述质量比进行混合，搅拌均匀得到混合菌液；将混合菌液与光合细菌混合，搅拌均匀得到微生物菌剂；
(4)有机肥料的制备：
将农林废弃物粉碎，然后同氨基酸、泥炭土、硅藻土、壳聚糖、活性炭纤维、聚丙烯酰胺、草炭土、有机肥和聚丙烯酸钠一起放进搅拌设备内进行混合搅拌，搅拌时间为35min，搅拌设备转速为800r/min；得到有机肥料；
(5)生物炭改良材料的制备：
将改性生物炭粉末、微生物菌剂、有机肥料进行混合，置于造粒机中造粒，得到生物炭改良材料。
实施例5
实施例1-3中土壤修复生物炭改良材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物炭的制备：
将木柴在70℃下烘干15h得到木柴炭，然后将玉米秸秆铡成7cm的玉米秸秆段，将玉米秸秆段置于阳光下晾晒至含水率＜9％得到干燥玉米秸秆，再将玉米秸秆段置于秸秆改性液中浸泡90min，得到改性玉米秸秆段，将改性玉米秸秆段放入热解装置在540℃下热解30min，得到秸秆炭，最后按质量比将木柴炭与秸秆炭混合，研磨后过筛，得到生物炭粉末；
其中秸秆改性液由钛酸四丁酯、异丙醇和硝酸按5：18：1的质量比比例混合得到；玉米秸秆段与秸秆改性液的比例为1kg：3.0L；
(2)生物炭改性：
将腐殖酸加入水中，配置得到300mg/L的腐殖酸溶液，调节其pH至6.5，然后将所述生物炭粉末和腐殖酸溶液置于反应容器中混合均匀，最后除去溶液得改性生物炭粉末；
(3)微生物菌剂的制备：
将短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌按照上述质量比进行混合，搅拌均匀得到混合菌液；将混合菌液与光合细菌混合，搅拌均匀得到微生物菌剂；
(4)有机肥料的制备：
将农林废弃物粉碎，然后同氨基酸、泥炭土、硅藻土、壳聚糖、活性炭纤维、聚丙烯酰胺、草炭土、有机肥和聚丙烯酸钠一起放进搅拌设备内进行混合搅拌，搅拌时间为25min，搅拌设备转速为850r/min；得到有机肥料；
(5)生物炭改良材料的制备：
将改性生物炭粉末、微生物菌剂、有机肥料进行混合，置于造粒机中造粒，得到生物炭改良材料。
对比例1
制备方法同实施例5，不同之处在于，不经过生物炭改性步骤。
对实施例1-3制得的土壤修复生物炭改良材料(由实施例5中制备方法制得)，对比对比1得到的生物炭改良材料，实验数据如下表所示：
由上述表格可知，本发明提出的土壤修复生物炭改良材料能够有效的土壤进行修复，生物炭进行改性后能够显著增强对土壤重金属污染的修复能力，改良土壤、增加肥力，且实施3为最佳实施例。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种土壤修复生物炭改良材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下原料：生物炭30-45份、腐殖酸60-80份、微生物菌剂20-30份、农林废弃物20-30份、氨基酸7-9份、氨泥炭土6-8份、硅藻土12-13份、壳聚糖7-10份、活性炭纤维5-8份、聚丙烯酰胺5-11份、草炭土4-6份、有机肥5-8份、聚丙烯酸钠8-12份。
2.根据权利要求1所述的一种土壤修复生物炭改良材料，其特征在于，所述生物炭由木柴炭和秸秆炭混合得到，质量比为1：(2-3)。
3.根据权利要求2所述的一种土壤修复生物炭改良材料，其特征在于，所述微生物菌剂包括：光合细菌、短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌，质量比为3：(2-4)：(1-2)：(4-5)。
4.根据权利要求3所述的一种土壤修复生物炭改良材料，其特征在于，所述农林废弃物包括竹炭、椰子壳、花生壳和核桃壳中的一种或多种混合。
5.一种如权利要求4所述的土壤修复生物炭改良材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生物炭的制备：
将木柴烘干得到木柴炭，然后将玉米秸秆铡成7-9cm的玉米秸秆段，将玉米秸秆段置于阳光下晾晒至含水率＜9％得到干燥玉米秸秆，再将玉米秸秆段置于秸秆改性液中浸泡，得到改性玉米秸秆段，将改性玉米秸秆段放入热解装置进行热解，得到秸秆炭，最后按质量比将木柴炭与秸秆炭混合，研磨后过筛，得到生物炭粉末；
(2)生物炭改性：
将腐殖酸加入水中，得腐殖酸溶液，调节其pH至5.5-6.5，然后将所述生物炭粉末和腐殖酸溶液置于反应容器中混合均匀，最后除去溶液得改性生物炭粉末；
(3)微生物菌剂的制备：
将短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌按照质量比进行混合，搅拌均匀得到混合菌液，将混合菌液与光合细菌混合，搅拌均匀得到微生物菌剂；
(4)有机肥料的制备：
将农林废弃物粉碎，然后同氨基酸、泥炭土、硅藻土、壳聚糖、活性炭纤维、聚丙烯酰胺、草炭土、有机肥和聚丙烯酸钠一起放进搅拌设备内进行混合搅拌，搅拌时间为25-35min，搅拌设备转速为800-850r/min；得到有机肥料；
(5)生物炭改良材料的制备：
将改性生物炭粉末、微生物菌剂、有机肥料进行混合，置于造粒机中造粒，得到生物炭改良材料。
6.根据权利要求5所述的一种土壤修复生物炭改良材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述烘干的温度为60-70℃，烘干时间为15-30h。
7.根据权利要求5所述的一种土壤修复生物炭改良材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述秸秆改性液由钛酸四丁酯、异丙醇和硝酸按5：18：1的质量比比例混合得到；所述玉米秸秆段与秸秆改性液的比例为1kg：2.0-3.0L；所述浸泡时间为70-90min。
8.根据根据权利要求/5所述的一种土壤修复生物炭改良材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述热解的温度为510-540℃，热解的时间为30-60min。
9.根据权利要求5所述的一种土壤修复生物炭改良材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述腐殖酸溶液的浓度为200-300mg/L；所述调节pH为通过浓度为通过0.1mol/L盐酸溶液或浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节其pH。
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