CN114644535A - 一种用于调控植物光合作用的二氧化碳肥料及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于调控植物光合作用的二氧化碳肥料及制备方法和应用。本发明的二氧化碳肥料包括吸收剂、二氧化碳和水；其中，吸收剂的浓度为1wt％‑20wt％；吸收二氧化碳的量为0‑8mg/g；所述二氧化碳肥料包括水包油乳液结构；所述二氧化碳来自含二氧化碳的气体。本发明制备的二氧化碳肥料能够吸收烟道气中的二氧化碳，并能够在常温常压下释放二氧化碳，是工业常用吸收剂的有效替代品。本发明制备的二氧化碳肥料是液体，一方面方便道路及管道运输，另一方面可以作为农作物的肥料，应用于温室大棚中，提高植物的光合作用。

Description

一种用于调控植物光合作用的二氧化碳肥料及制备方法和 应用

技术领域

本发明属于二氧化碳的捕获与植物光合作用调控领域，特别涉及一种用于调控植物光合作用的二氧化碳肥料及制备方法和应用。

背景技术

近年来，温室效应所导致的全球气候变暖问题引起了科学家们的注意，全球气温和温室气体浓度(尤其是二氧化碳)之间的联系在整个地球历史上都是真实存在的，人们大量燃烧化石燃料，使二氧化碳浓度急剧升高，进而导致地球温度上升，冰川融化，极端天气及火灾的频繁发生等诸多环境问题，严重影响人类的正常生活。全球二氧化碳的含量自1950年以来急剧上升，在2017年已经达到了35亿吨，中国也是一个主要的碳排放国，仅2017年就已经达到了10亿吨。全球范围内二氧化碳浓度自上世纪60年代开始呈逐年上升的趋势，最新的数据表明，截止到2020年5月，全球大气的二氧化碳浓度已经达到了417.1ppm。

针对二氧化碳浓度不断升高的这一环境问题，科学家们也在想尽办法减少二氧化碳的浓度，在减少二氧化碳排放的基础上，探索更有效的解决手段。从二氧化碳排放的结构来看，能源消耗导致的二氧化碳排放一直占据较高的比例，占比基本稳定在50％以上，因此，从排放较多的能源方面入手，是一个效率较高的选择。目前，二氧化碳排放的较大的点源，如发电厂等，其二氧化碳捕集主要有三种方式：燃烧后捕获，燃烧前捕获和富氧燃烧捕获，其中，从工业烟道气中捕获二氧化碳，可行性较高，适宜大规模推广应用，具有较好的应用前景。

在植物的光合作用方面，二氧化碳是植物生长碳素的来源，尽管全球二氧化碳浓度不断升高，但是远远没有达到植物生长所需要的0.1-1％的二氧化碳浓度，二氧化碳浓度成为提高作物产量的决定性因素。C3植物相较于C4植物，对二氧化碳的浓度更为敏感，提高植物生长环境中的二氧化碳浓度，可以极大地促进C3植物的光合作用，获得较高的作物产量。值得注意的是，主要的作物如大豆，小麦，水稻等均为C3植物，在光能、水分等自然条件充足时，提高植物生长环境中的二氧化碳浓度可以显著提高植物的光合作用效率。因此，可以通过提高植物生长环境中的二氧化碳浓度来提高光合作用效率，进而使农作物产量提高。

二氧化碳浓度升高导致温室效应等问题，需要减少工业二氧化碳的排放，同时捕获排放的二氧化碳，降低大气中的二氧化碳浓度，而植物光合作用需要较高的二氧化碳浓度，因此，如果将工业烟道气中二氧化碳捕获制成二氧化碳气体肥料用于农业中植物的光合作用，既减少了二氧化碳的排放，实现了二氧化碳的高效利用，又提高了植物的光合作用效率，进而提高作物产量，实现工业和农业的双赢。通过工业化学与农业的有机结合，实现工业农业和环境的绿色革命。制备能够在工业烟道气条件下捕获二氧化碳，并能够在植物生长环境下释放二氧化碳用于植物生长的材料，对于缓解温室效应，提高农作物产量，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提供一种二氧化碳肥料，所述二氧化碳肥料由吸收剂溶液吸收二氧化碳后制备得到。

根据本发明的实施方案，所述二氧化碳肥料为乳液。优选地，所述二氧化碳肥料包括水包油乳液结构。优选地，所述二氧化碳肥料为白色乳液或半透明白色乳液。

根据本发明的实施方案，所述吸收剂溶液为吸收剂的水溶液。

优选地，所述吸收剂溶液的浓度为1wt％-20wt％，优选为5wt％。

优选地，所述吸收剂选自脂肪酸钠，例如选自硬脂酸钠、棕榈酸钠、月桂酸钠和蓖麻油酸钠中的任一种。优选地，所述吸收剂选自蓖麻油酸钠(NaRcn)。

根据本发明的实施方案，所述含二氧化碳的气体中，二氧化碳的体积浓度为1％-100％，例如为13％-20％，比如20％。

根据本发明的实施方案，所述含二氧化碳的气体选自含二氧化碳的工业废气。优选地，所述工业废气选自发电厂烟道气、炼油厂尾气、炼钢厂尾气、水泥厂尾气、化工厂尾气、水煤气、沼气、天然气和碳酸盐矿石分解气等中的至少一种。

示例性地，所述含二氧化碳的气体选自烟道气，其中，二氧化碳的体积浓度为20％。

根据本发明的实施方案，所述二氧化碳肥料可逆吸收二氧化碳。所述可逆吸收二氧化碳是指所述二氧化碳肥料在常温常压下释放CO₂后，得到含有吸收剂的溶液，所述含有吸收剂的溶液可再次吸收二氧化碳后制备得到所述二氧化碳肥料。

根据本发明的实施方案，所述二氧化碳肥料需要密封保存。

根据本发明的实施方案，所述二氧化碳肥料在常压下缓慢释放CO₂。

本发明对所述二氧化碳肥料释放CO₂的温度不作具体限定，例如释放CO₂的温度可以为农作物生长所需的温度。优选地，释放CO₂的温度为10-40℃。

本发明还提供上述二氧化碳肥料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将吸收剂和水混合后，制备得到吸收剂溶液；向吸收剂溶液中通入含二氧化碳的气体即可得到二氧化碳肥料。

优选地，二氧化碳肥料需要密封保存。

优选地，所述吸收剂和所述含二氧化碳的气体具有如上所述含义。

根据本发明的实施方案，所述吸收剂溶液中，所述吸收剂(优选NaRcn)的浓度为1wt％-20wt％，优选为5wt％。

根据本发明的实施方案，吸收剂和水混合后，还可以进行磁力搅拌使其溶解。优选地，所述搅拌时间为10-20分钟，优选为15分钟。

根据本发明的实施方案，通入含二氧化碳的气体的速度为10-30mL/min，优选为20mL/min。

本发明对通入含二氧化碳的气体的时间不做具体限定，优选地，通入含二氧化碳的气体后，能使吸收剂溶液中吸收的二氧化碳的量达到饱和即可。优选地，通入含二氧化碳的气体的时间为30-80分钟，优选为30-50分钟，例如为30分钟、40分钟、50分钟、60分钟、70分钟、80分钟。

根据本发明的实施方案，通入的方式为鼓泡法或吹扫法，优选鼓泡法。

根据本发明的实施方案，在通入含二氧化碳的气体时，还可以进行搅拌。

根据本发明示例性的实施方案，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)吸收剂溶于水中，磁力搅拌得到吸收剂溶液；

(2)在搅拌条件下将含二氧化碳的气体通过鼓泡法通入吸收剂溶液中，使吸收剂溶液中吸收的二氧化碳的量达到饱和，得到二氧化碳肥料，密封保存。

优选地，步骤(1)中，所述吸收剂选自蓖麻油酸钠；所述蓖麻油酸钠溶液的浓度为5wt％。

优选地，步骤(1)中，磁力搅拌时间为30min。

优选地，步骤(2)中，含二氧化碳的气体通入的速度为20mL/min。

本发明还提供上述二氧化碳肥料的用途。优选地，所述二氧化碳肥料用于农作物的肥料。所述二氧化碳肥料在用于农作物的肥料使用时，仅需暴露在植物生长环境下即可缓慢释放CO₂。

优选地，所述二氧化碳肥料用于二氧化碳的捕获。

本发明还提供一种二氧化碳的捕获方法，所述捕获方法包括：将上述含二氧化碳的气体通入上述二氧化碳肥料中，所述二氧化碳肥料吸收二氧化碳，完成二氧化碳的捕获。

优选地，通入含二氧化碳的气体前，所述二氧化碳肥料还需进行释放CO₂，用于捕获含二氧化碳的气体中的二氧化碳。

根据本发明的实施方案，含二氧化碳的气体在常压下通入二氧化碳肥料中。

本发明中对所述二氧化碳肥料能够吸收的二氧化碳的量不做具体限定，只要含二氧化碳的气体在捕获后能满足其二氧化碳浓度的要求即可。优选地，吸收的二氧化碳的量为0-8mg/g，优选为8mg/g。

本发明中对捕获次数不做具体限定，本领域技术人员可以根据对捕获后气体中二氧化碳浓度的要求，调整二氧化碳肥料中吸收剂的浓度或用量，也可适当增加捕获的次数，从而提高二氧化碳的捕获效果。优选地，所述二氧化碳肥料中吸收剂的浓度为1wt％-20wt％，优选为5wt％。所述吸收剂具有如上所述定义。

根据本发明的实施方案，所述二氧化碳肥料在常压下释放CO₂后，可循环使用。本发明的二氧化碳肥料在常压下释放CO₂后，可再次用于上述捕获方法中。在捕获二氧化碳后，本发明的吸收剂损耗较小，仍能再次吸收二氧化碳，捕获效果好。

本发明的有益效果：

本文提供了一种用于调控植物光合作用的二氧化碳肥料，本发明可以实现高效捕获烟道气中的二氧化碳，并且可以在常温常压下释放二氧化碳，是工业吸收剂的替代品。将二氧化碳气体肥料，喷洒在植物上或者放置在植物周围，能够较好的促进光合作用，实现作物产量较大的提高。本发明的吸收剂具有便宜、无毒、可降解等优点，能够在烟道气条件下高效吸收二氧化碳，在常温常压下释放CO₂，解决了工业常用吸收剂乙醇胺具有的有毒、腐蚀性、难以解吸等缺点，该吸收剂是工业常用吸附剂的有效替代品。

本发明的二氧化碳肥料具有如下特点：

1.便宜无毒可降解，对环境友好，可以极大降低二氧化碳捕获成本，实现二氧化碳的高效利用且不污染环境。

2.本发明的二氧化碳肥料高效吸收烟道气中的CO₂，并且能够在常温常压下释放CO₂，实现植物光合作用调控。

3.本发明的二氧化碳肥料，结合植物光合作用需求，通过喷施在植物叶片或者放置在植物周围，提高植物周围二氧化碳浓度，促进植物光合作用，实现CO₂的有效利用。

4.本发明制备的二氧化碳肥料是液体，方便陆地或者管道运输，更可以应用于温室大棚等空间中。实际应用中，发现其可以提高植物的光合作用能力，改善植物生长，实现作物产量较大的提高。

5.经实验证明，本发明制备的二氧化碳肥料可逆的吸收二氧化碳，二氧化碳肥料在释放CO₂后，可再次通入含二氧化碳的气体(例如工业废气)，实现肥料的循环、重复使用。

附图说明

图1为实施例1和2制备得到的二氧化碳肥料的图片，其中1A表示实施例1中制备得到的二氧化碳肥料1；其中1A从左往右依次表示5wt％蓖麻油酸钠通入纯二氧化碳后的颜色及状态变化，液体由无色透明逐渐变为白色乳液。1B表示实施例2中步骤(2)中制备得到的二氧化碳肥料2；1B从左往右依次表示5wt％蓖麻油酸钠通入模拟烟道气后的颜色及状态变化，液体由无色透明逐渐变为半透明乳液。

图2表示实施例1和2制备二氧化碳肥料时的CO₂的吸收效果图；

图3表示实施例1和2制备得到的二氧化碳肥料的CO₂的释放效果图；

图4为测试例3中的光学显微镜图；

图5为测试例4中的电导率变化；

图6为测试例5中的棉花生长状况图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

(1)称取0.5g蓖麻油酸钠溶于9.5g去离子水中，搅拌得到5wt％的蓖麻油酸钠溶液。用橡胶塞和两根针密封小瓶，一根针插入溶液中，另一根针置于液体表面上方，与周围环境相连，并且加装塞满棉花的注射器管防止液体流失，在搅拌下以20mL/min的速度将二氧化碳鼓入溶液中，连续鼓入二氧化碳60min使其吸收饱和，得到二氧化碳肥料1。

如图1A中的图片所示，图1A表示步骤(1)中制备得到的二氧化碳肥料1，由图可以看出，二氧化碳肥料1为白色乳液状态。

实施例2

(1)通过二氧化碳与氮气制备模拟烟道气，两个气袋分别装入二氧化碳和氮气，分别使用二氧化碳流量计和氮气流量计对流速进行控制。以400mL/min的气体流速向大气袋中通入二氧化碳5min，然后以400mL/min的流速向大气袋中通入氮气20min，使大气袋中的气体充分混合均匀，制备得到二氧化碳含量为20％的模拟烟道气待用。

(2)称取0.5g蓖麻油酸钠溶于9.5g去离子水中，搅拌得到5wt％的蓖麻油酸钠溶液。用橡胶塞和两根针密封小瓶，一根针插入溶液中，另一根针置于液体表面上方，与周围环境相连，并且加装塞满棉花的注射器管防止液体流失，在搅拌下以20mL/min的速度将步骤(1)中制备的烟道气鼓入溶液中，连续鼓入二氧化碳60min使其吸收饱和，得到二氧化碳肥料2。

如图1B中的图片所示，图1B表示步骤(2)中制备得到的二氧化碳肥料2，由图可以看出，二氧化碳肥料2为半透明白色乳液状态。

测试例1：二氧化碳肥料的吸收性能

样品1：实施例1制备的二氧化碳肥料1；

样品2：实施例2制备的二氧化碳肥料2；

样品1的吸收性能测试方法如下：在制备样品1的过程中，带有橡胶塞、两根针以及注射器管的小瓶和瓶内蓖麻油酸钠溶液的质量记为M0，在搅拌下以20mL/min的速率将气体鼓入蓖麻油酸钠溶液中，随着反应进行，每隔5分钟称重一次带有橡胶塞、两根针以及注射器管的小瓶和瓶内蓖麻油酸钠溶液，上述反应体系的质量记为M1，差值M＝M1-M0即为溶液中吸收的二氧化碳的质量，每个实验重复三次后，取平均值，绘制得到二氧化碳的吸收效果图，见图2。

样品2的吸收性能测试方法同上述样品1。

由图2可以看出，吸收剂溶液对二氧化碳的吸收量较大，吸收的二氧化碳的量可达到8mg/g。

测试例2：二氧化碳肥料的释放性能

样品1：实施例1制备得到的二氧化碳肥料1；

样品2：实施例2制备得到的二氧化碳肥料2；

样品1的释放性能测试方法如下：取500μL样品1放置于10mL离心管的盖子中，盖子直径为0.6cm，高度为0.4cm，将样品1置于Li-6400仪器的透明腔室中，设定参比室二氧化碳的浓度为400μmol*mol^-1，散热风扇设定为低速，设定气体流速为200μmol*s^-1，仪器匹配成功后，每5s记录一次当前样品室的二氧化碳浓度，等二氧化碳的浓度不再随时间变化时，停止测试。仪器导出数据中，二氧化碳浓度的单位为μmol*mol^-1，即每摩尔气体中含有二氧化碳的物质的量，单位换算后对时间积分即可得到二氧化碳的释放量，并绘制二氧化碳肥料二氧化碳的释放效果图，见图3。

二氧化碳的释放量公式如下：

其中：ΔCO₂：样品室浓度与参比室浓度差值(单位：μmol*mol^-1)，v：气体流速(单位：μmol*s^-1)，m：样品质量(单位：g)。

样品2的释放性能测试方法同上述样品1。

图3表示二氧化碳肥料1和2对二氧化碳的释放效果，由图3可以看出，二氧化碳肥料在室温、常压下对二氧化碳的释放效果较好。

测试例3：二氧化碳肥料液体微观结构

样品1：实施例1中制备得到的二氧化碳肥料1。

使用尼罗红染料对样品1染色，吸收二氧化碳后放在光学显微镜下观察其形貌，观察判断乳液的类型。

图4是样品1的染色前后的显微镜图像，图4A为未染色前的样品1，图4B为加入尼罗红染色后的样品1。由图4可以看出，染色后，图4A中圆点变为红色荧光圆点，而其余部分未被染色，这是由于蓖麻油酸钠溶液吸收二氧化碳后形成了含有蓖麻油酸的白色乳液，由于尼罗红为脂溶性，易溶于蓖麻油酸这一类的油脂中，因此加入尼罗红染色后，溶液中的油脂被染为红色。由此可知，样品1为水包油乳液结构。

测试例4：二氧化碳使用循环稳定性测试

样品1：实施例1中制备得到的二氧化碳肥料1；

通过对样品1电导率变化监测样品1的反应程度，向样品1中通入二氧化碳使样品吸收二氧化碳至饱和(即溶液的二氧化碳吸收量不再发生变化)，之后通入氮气使样品1释放二氧化碳(通入氮气的目的是加速二氧化碳的释放)，循环4次，观察每次循环后电导率的变化。

图5是样品1的电导率变化数据，由图可以看出，样品1经4次循环后，电导率仍能回到接近上一次循环时的初始值，说明样品1的二氧化碳肥料在循环使用后，二氧化碳肥料中的吸收剂损耗较小，循环使用多次仍可保持较高的吸收效率和释放效率。

在实际作为肥料使用时，通常不通入氮气，二氧化碳肥料的释放效果与上述实验效果相同，但是释放速率较慢。因此，将样品1用于农作物肥料调控植物光合作用时，由于二氧化碳肥料可以缓慢释放二氧化碳，更有利于农作物的吸收，也更符合农作物的生长需求。

测试例5：植物生长状况

样品CK：去除二氧化碳的去离子水作为对照组；

样品1：实施例1制备得到的二氧化碳肥料1；

样品2：实施例2制备得到的二氧化碳肥料2；

样品的喷施对象：在中国新疆石河子市石河子大学(45°19′N,86°03′E)种植18盆盆栽(三组，每组六个重复)，即在18个塑料花盆(直径19cm，高28cm)中均种植棉花，整个生长周期完全处于气候室中，并且施加相同的营养液。

将上述3种样品分别喷施到18盆生长状态相同的棉花盆栽中，进行样品对叶子生长状态的效果监测。

样品1喷施到盆栽中进行叶子生长状态的效果监测的实验步骤如下:当盆栽植物长至有四片真叶的时候，每天中午12:00-13:00喷施样品1，连续喷施20天，然后进行植物生理监测。

样品2-3喷施到盆栽中进行叶子生长状态的效果监测的实验步骤同上述样品1。

图6是喷施了样品1-3后棉花生长状况图，由图可以看出，喷施了样品2和样品3的棉花，其植株相较于对照组更高，长势更好，而样品2效果更好。

以上，对本发明的示例性实施方式进行了说明。但是，本发明不拘囿于上述实施方式。本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化碳肥料，其特征在于，所述二氧化碳肥料由吸收剂溶液吸收二氧化碳后制备得到；所述二氧化碳肥料为乳液；所述二氧化碳肥料包括水包油乳液结构。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳肥料，其特征在于，所述二氧化碳肥料为白色乳液或半透明白色乳液。

优选地，所述吸收剂溶液为吸收剂的水溶液。

优选地，所述吸收剂选自脂肪酸钠，例如选自硬脂酸钠、棕榈酸钠、月桂酸钠和蓖麻油酸钠中的任一种。优选地，所述吸收剂选自蓖麻油酸钠(NaRcn)。

优选地，所述吸收剂溶液的浓度为1wt％-20wt％，优选为5wt％。

3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳肥料，其特征在于，所述含二氧化碳的气体中，二氧化碳的体积浓度为1％-100％，例如为13％-20％。

优选地，所述含二氧化碳的气体选自含二氧化碳的工业废气。优选地，所述工业废气选自发电厂烟道气、炼油厂尾气、炼钢厂尾气、水泥厂尾气、化工厂尾气、水煤气、沼气、天然气和碳酸盐矿石分解气等中的至少一种。

优选地，所述含二氧化碳的气体选自烟道气，其中，二氧化碳的体积浓度为20％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的二氧化碳肥料，其特征在于，所述二氧化碳肥料可逆吸收二氧化碳。

优选地，所述二氧化碳肥料需要密封保存。

优选地，所述二氧化碳肥料在常压下缓慢释放CO₂。

5.权利要求1-4任一项所述的二氧化碳肥料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将吸收剂和水混合后，制备得到吸收剂溶液；向吸收剂溶液中通入含二氧化碳的气体即可得到二氧化碳肥料。

6.根据权利要求5所述的二氧化碳肥料的制备方法，其特征在于，所述吸收剂溶液中，所述吸收剂的浓度为1wt％-20wt％。

优选地，吸收剂和水混合后，还可以进行磁力搅拌使其溶解。优选地，所述搅拌时间为10-20分钟，优选为15分钟。

7.根据权利要求5或6所述的二氧化碳肥料的制备方法，其特征在于，通入含二氧化碳的气体的速度为10-30mL/min。

优选地，通入含二氧化碳的气体后，吸收剂溶液中吸收的二氧化碳的量达到饱和。

优选地，通入含二氧化碳的气体的时间为30-80分钟。

优选地，通入的方式为鼓泡法或吹扫法。

优选地，在通入含二氧化碳的气体时，还可以进行搅拌。

8.根据权利要求5-7任一项所述的二氧化碳肥料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)吸收剂溶于水中，磁力搅拌得到吸收剂溶液；

(2)在搅拌条件下将含二氧化碳的气体通过鼓泡法通入吸收剂溶液中，使吸收剂溶液中吸收的二氧化碳的量达到饱和，得到二氧化碳肥料，密封保存。

优选地，步骤(1)中，所述吸收剂选自蓖麻油酸钠；所述蓖麻油酸钠溶液的浓度为5wt％。

优选地，步骤(1)中，磁力搅拌时间为30min。

优选地，步骤(2)中，含二氧化碳的气体通入的速度为20mL/min。

9.权利要求1-4任一项所述的二氧化碳肥料的用途。

优选地，所述二氧化碳肥料用于农作物的肥料。

优选地，所述二氧化碳肥料用于二氧化碳的捕获。

10.一种二氧化碳的捕获方法，其特征在于，所述捕获方法包括：将含二氧化碳的气体通入权利要求1-4任一项所述的二氧化碳肥料中，所述二氧化碳肥料吸收二氧化碳，完成二氧化碳的捕获。

优选地，在通入所述含二氧化碳的气体前，所述二氧化碳肥料还需进行释放CO₂。

优选地，所述含二氧化碳的气体在常压下通入所述二氧化碳肥料中。

优选地，吸收的二氧化碳的量为0-8mg/g，优选为8mg/g。

优选地，所述二氧化碳肥料在常压下释放CO₂后，可循环使用。

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