CN114702353A - 一种稻壳灰液态硅肥及其制备与应用方法以及稻壳灰低温碳化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稻壳灰液态硅肥及其制备与应用方法以及稻壳灰低温碳化炉。稻壳灰液态硅肥中无定型二氧化硅含量为0.14～295g/L；稻壳灰液态硅肥是稻壳在低温碳化下经过加碱反应，稀释1～2105倍，以及调节pH后加入表面活性剂制备得到。应用方法为将稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥配合用做于水稻的硅肥补充剂和砷吸收抑制剂。稻壳灰低温碳化炉包括底座和炉身，炉身包括由炉壁围成的堆放稻壳的炉膛，炉膛内设有中心燃烧室，中心燃烧室设有进风口和出风口，中心燃烧室的外壁开孔并与炉膛导通。本发明的稻壳灰液态硅肥在水稻中的吸收情况好，能够起到抑制水稻对砷的吸收；制备方法简单，通过稻壳灰低温碳化炉制备后的无定型二氧化硅含量高。
Description
技术领域
本发明涉及肥料技术领域，具体涉及稻壳灰制备硅肥及其专用的稻壳灰低温碳化炉。
背景技术
水稻是喜硅作物，施加硅可以增加水稻抵御灾害和病虫害的能力，硅的沉积增强了细胞 壁的强度和厚度，从而提高了水稻对病虫害和倒伏的抵抗力，硅在提高水稻对多种胁迫(包括 生物和非生物胁迫)的抗性中发挥着重要作用。其次施加硅可以增加生物量，提高产量。然而 中国水稻种植区域集中在热带和亚热带季风气候区，土壤风化较严重，加之常年种植水稻等 喜硅植物，从而导致土壤中植物可利用硅匮乏。据调查，我国水稻土有效硅含量较低，低于 100mg+kg-1(临界值)的水稻土占总面积的50％以上，我国长江以南缺硅的水稻土就有1.33 ×106hm2。因此，对水稻施加硅肥的需求量是非常巨大的。
稻壳，一种水稻生产中利用不足的副产品；其中含有较少的不稳定碳，但含有高达20％ 的二氧化硅。我国由于稻米的生产导致每年有近40万吨稻壳中的二氧化硅产生。因此，若能 将稻壳中的硅元素转化为可利用的硅；那么将能为稻壳的无害化处理利用提供一个新的方向。
现有技术中也有人尝试过对稻壳中的硅进行硅肥化利用，如中国专利CN202011468827.7 就公开了一种利用稻壳制备可喷施液体硅肥的方法。但该方法只关注于稻壳灰硅肥与农药的 混合使用时易失效的问题，却没有认识到稻壳灰硅肥的最佳利用方式是使水稻通过叶面吸收 硅肥的方式来增强硅肥的施加效果；因而其制备的稻壳灰硅肥在利用率方面还存在不足。此 外，该种制备稻壳灰硅肥的方法步骤复杂，需要运用专门的稻壳灰烧制设备，不利于生产者 的大规模低成本的制备稻壳灰硅肥。
针对稻壳灰的烧制，中国专利申请号为93116790.6，发明名称为生产活性稻壳灰的装置 公开了将水稻稻壳燃烧生产硅肥的方法。但是该专利是将内层的稻壳燃烧后作为燃烧源去燃 烧剩余稻壳，该方法没有专门的燃烧中心，稻壳本身不易燃烧，作为燃烧源将会使稻壳燃烧 缓慢，且该装置稻壳燃烧区只有顶部通风，缺少气流使燃烧不够充分，稻壳利用率下将，所 得稻壳灰无定型二氧化硅含量较低；不利于大规模的稻壳灰燃烧碳化生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提供一种稻壳灰液态硅肥及其制备与应用方 法以及稻壳灰低温碳化炉。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种稻壳灰液态硅肥，包含稻壳灰液态硅肥，所述稻壳灰液态硅肥中无定型二氧化硅含 量为0.14～295g/L；所述稻壳灰液态硅肥中添加有表面活性剂。
作为上述技术方案的优选，所述稻壳灰液态硅肥是稻壳在低温碳化下经过加碱反应以及 调节pH后，再加入表面活性剂复配制备得到。
基于同一技术构思，本发明还提供一种稻壳灰液态硅肥的应用方法，将上述稻壳灰液态 硅肥与稻壳灰固态肥配合后用做于水稻的硅肥补充剂以及砷吸收抑制剂；所述稻壳灰固态肥 是在有氧条件下燃烧稻壳制备得到。
作为上述技术方案的优选，稻壳灰固态肥与稀释后稻壳灰液态硅肥的质量配比为0.05～1.9:1。
作为上述技术方案的优选，当应用于大田时，所述稀释后稻壳灰固态肥与稻壳灰液态硅 肥的质量配比为1.5～1.9:1。
基于同一技术构思，本发明还提供一种稻壳灰液态硅肥的制备方法，包括以下步骤：
(1)将稻壳放在碳化炉内燃烧碳化；
(2)将步骤(1)所得的碳化稻壳研磨并过筛；
(3)将步骤(2)得到的碳化稻壳细粉加入碱液中进行反应，而后离心、过滤；
(4)将步骤(3)中的滤液先稀释1～2105倍，而后用酸性溶液调节pH至8.5～9.5；
(5)将步骤(4)得到的液体加入表面活性剂并搅拌即得到稻壳灰液态硅肥。
作为上述技术方案的优选，所述碳化炉的温度控制在400～600℃。
作为上述技术方案的优选，所述碱液为氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液；所述氢氧化钠 溶液或者氢氧化钾溶液的质量百分数为1％～120％；每克碳化稻壳细粉添加10～700mL碱液， 碱液添加后的反应环境为煮沸。
作为上述技术方案的优选，所述酸性溶液为盐酸溶液；所述表面活性剂为鼠李糖脂，鼠 李糖脂的添加量为步骤(4)中得到的液体体积的3.5～5.25％。鼠李糖脂表面活性剂是一种有 机活性剂，对农田的污染低。加入表面活性剂可以降低稻壳灰液态硅肥的表面张力，增加水 稻叶面对稻壳灰液态硅肥的吸收。
作为上述技术方案的优选，烧制稻壳灰之前可以先用超纯水清洗3～5次，去除稻壳表面 杂质，然后在105℃下烘干。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中过筛时的筛孔尺寸为0.15mm～0.25mm。进 行研磨并过筛目的是增大稻壳灰和氢氧化钠溶液的接触面积，提高无定形二氧化硅的提取效 率。
基于同一技术构思，本发明还提供一种可用于上述稻壳灰液态硅肥制备方法的稻壳灰低 温碳化炉，所述低温碳化的碳化温度不超过600℃；稻壳灰低温碳化炉包括炉体，所述炉体 包括底座和炉身，所述炉身包括由炉壁围成的堆放稻壳的炉膛，所述炉膛内设有中心燃烧室， 所述中心燃烧室设有进风口和出风口，所述中心燃烧室的外壁开孔并与所述炉膛导通。稻壳 堆放于炉膛内，稻壳灰低温碳化炉通过中心燃烧室的外壁开孔为稻壳持续提供热量使稻壳碳 化。
作为上述技术方案的优选，所述中心燃烧室为柱状，所述炉身为锥状，所述中心燃烧室 与所述炉身为同轴结构。
作为上述技术方案的优选，所述炉膛中还包括通风管，所述通风管的壁上具有孔径小于 稻壳的通气孔。通过若干通风管为稻壳堆通风送氧，既有利于稻壳的充分燃烧，又使得稻壳 堆中间的过多热量得以被散发，使得稻壳堆在燃烧时其内部的温度能够较稳定的恒定在较低 的温度。
作为上述技术方案的优选，所述炉壁是可拆卸安装在所述底座上，所述通风管是可拆卸 安装在所述底座上并延伸至所述炉膛中。通过采取可拆卸安装的方式，便于稻壳灰低温碳化 炉收放使用。
作为上述技术方案的优选，所述底座为可通风的底座，所述底座与所述中心燃烧室中的 进风口之间采用通风栅连接。通过设置通风栅，便于中心燃烧室进行进风和出风，利于中心 燃烧室中燃料的燃烧。
作为上述技术方案的优选，所述炉壁上还具有通风孔。通过进一步的设置炉壁上的通风 孔，有利于稻壳的燃烧和热量的散发，利于保障稻壳的低温碳化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的稻壳灰液态硅肥中具有高无定型二氧化硅含量，利于硅肥被水稻叶面吸收。通 过添加表面活性剂，使得稻壳灰液态硅肥能够吸附于水稻叶片表面，更利于水稻叶面对稻壳 灰液态硅肥的吸收。
本发明的稻壳灰液态硅肥通过与稻壳灰固态肥复配后运用于对水稻的硅肥施加，能够更 好的利于水稻对硅肥的吸收。稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥复配后运用水稻除了具有为水 稻补充硅肥的作用以外，还能应用于抑制水稻对砷的吸收。通过利用硅与砷在水稻中的竞争 性吸收关系，降低水稻对重金属砷的吸收，减少有害物质砷被水稻吸收，实现重金属砷污染 土壤的安全利用。此外，与传统意义上的合成硅肥相比，作为生物质硅源的稻壳灰液态硅肥 不仅是产量丰富和价格便宜，而且是一种缓慢释放的硅源，能为水稻生长和缓解砷毒性提供 持续并充足的可利用硅。
本发明的稻壳灰液态硅肥制备方法简单高效，通过特制的稻壳灰低温碳化炉将稻壳进行 碳化，在较低的温度条件下获得的稻壳灰中无定形二氧化硅含量很高。通过优选制备过程中 的各项工艺配比及反应条件，使得制备得到的稻壳灰液态硅肥具有最好的水稻吸收性能。稻 壳灰低温碳化炉烧制稻壳灰的操作简单，控温方便，农户将稻壳剥落后在有烟雾净化装置不 污染环境的情况下可自己制作稻壳灰；简化了稻壳灰液态硅肥的制备步骤，利于生产者的大 规模低成本的制备稻壳灰液态硅肥。本发明制备的稻壳灰液态硅肥为浓缩剂形态，便于后期 的运输使用。
本发明的稻壳灰低温碳化炉通过中心燃烧室为稻壳提供热量使其碳化。通过设置中心燃 烧室为稻壳持续提供热量，避免了传统的稻壳碳化方式中由稻壳自燃来提供热量时存在的燃 烧慢燃烧不充分的问题。稻壳堆放于炉膛内，通过若干通风管为稻壳堆通风送氧，既有利于 稻壳的充分燃烧，又使得稻壳堆中间的过多热量得以被散发，使得稻壳堆在燃烧时其内部的 温度能够较稳定的恒定在较低的温度。还通过设置通风栅、通风孔等结构，加快了稻壳堆的 燃烧碳化效率。
附图说明
图1为稻壳灰低温碳化炉的透视结构示意图；
图2为稻壳灰低温碳化炉的轴向剖面示意图(其中：101、炉体；102、烟囱；1、底座；2、炉身；3、炉壁；4、炉膛；5、中心燃烧室；51、进风口；52、出风口；6、通风管；61、 通气孔；7、通风栅；8、通风孔)；
图3为实施例2中水稻收获后籽粒中的砷含量检测结果图；
图4为实施例3中水稻收获后籽粒中的无机砷含量检测结果图(a为不加硅肥的水稻， 为加入稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥的水稻)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不 限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本 文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购 买得到或者可通过现有方法制备得到。
施加硅肥可以降低水稻对重金属污染物砷的吸收。砷(As)是一种植物非必需的类金属， 水稻通常生长在淹水环境中，在厌氧的淹水环境中砷以生物利用度高的亚砷酸盐存在于土壤 溶液中。硅以硅酸的形式被水稻积累和储存，而亚砷酸盐与硅酸具有相似的解离常数，所以 亚砷酸盐通过硅酸的转运通道高效地被水稻吸收。因而，利用这一特性可以通过增加外源硅 来降低水稻对砷的吸收。外源硅的加入可以通过竞争吸收的方式降低水稻对砷的吸收，与此 同时，外源硅的加入可以下调硅转运因子的表达，进一步减少水稻对砷的吸收。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种用于制备稻壳灰的稻壳灰低温碳化炉，如图1和图2所示，稻壳灰低温碳化炉的碳 化温度不超过600℃；稻壳灰低温碳化炉包括炉体101和尾气排放的烟囱102，所述炉体101 包括底座1和炉身2，所述炉身2包括由炉壁3围成的堆放稻壳的炉膛4，所述炉膛4内设有 中心燃烧室5，所述中心燃烧室5设有进风口51和出风口52，所述中心燃烧室5的外壁开孔 并与所述炉膛4导通。稻壳堆放于炉膛内，中心燃烧室内装有木材等燃烧物，稻壳灰低温碳 化炉通过中心燃烧室的外壁开孔为稻壳持续提供热量使稻壳碳化。
在本实施例中，所述中心燃烧室5为柱状，所述炉身2为锥状，所述中心燃烧室5与所 述炉身2为同轴结构。
在本实施例中，所述炉膛4中还包括通风管6，所述通风管6的壁上具有孔径小于稻壳 的通气孔61。通过若干通风管为稻壳堆通风送氧，既有利于稻壳的充分燃烧，又使得稻壳堆 中间的过多热量得以被散发，使得稻壳堆在燃烧时其内部的温度能够较稳定的恒定在较低的 温度。
在本实施例中，所述炉壁3是可拆卸安装在所述底座1上，所述通风管6是可拆卸安装 在所述底座1上并延伸至所述炉膛4中。通过采取可拆卸安装的方式，便于稻壳灰低温碳化 炉收放使用。
在本实施例中，所述底座1为可通风的底座，所述底座1与所述中心燃烧室5中的进风 口51之间采用通风栅7连接。通过设置通风栅，便于中心燃烧室进行进风和出风，利于中心 燃烧室中燃料的燃烧。
在本实施例中，所述炉壁3上还具有通风孔8。通过设置炉壁上的通风孔，有利于稻壳 的燃烧和热量的散发，利于保障稻壳的低温碳化。
实施例2
一种稻壳灰液态硅肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)将500g稻壳用超纯水清洗3次后，在105℃下烘干。
(2)将烘干的稻壳置于实施例1当中的炉子中在400℃左右进行燃烧碳化，彻底碳化后 降温，研磨并过60目筛得到150g稻壳细粉。
(3)将100g稻壳细粉置于烧杯中，用超纯水配制质量百分数为2％的氢氧化钠溶液1L， 将配制好的碱溶液与稻壳细粉充分搅拌均匀后，利用电子万用炉在100℃情况下煮沸20分钟。
(4)将步骤(3)中煮沸后冷却的溶液，在3000r/分钟的转速下离心5分钟，而后通过中速定性滤纸过滤残留的稻壳灰，取上清液900ml。
(5)将(4)中得到的液体用水将稻壳灰液态硅肥稀释35倍后，再用质量百分数为10％ 的盐酸调节pH到8.5，加入31.5ml的鼠李糖脂并搅拌均匀即得到稻壳灰液态硅肥。
对制备的稻壳灰液态硅肥的性状检测：(按照国标NY/T 1972-2010或者NY 1110-2010 进行检测)稻壳灰液态硅肥中的无定型二氧化硅含量为4.8g/L。
稻壳灰液态硅肥的使用方法：
将稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥按照质量配比1：0.06进行配合使用。稻壳灰固态肥 的制备方法为用酒精在空气条件下燃烧稻壳制备得到。稻壳灰固态肥中的无定型二氧化硅含 量为198g/kg。
对制备的稻壳灰液态硅肥的应用效果检测：
设置三组花盆，每组花盆中均放置3.5kg水稻土；第一组为淹水水稻土一周后将水稻幼 苗移栽到土壤中(CK)；第二组为淹水水稻土一周后将水稻幼苗移栽到土壤中并加入35g稻 壳灰固态肥(R)；第三组为淹水水稻土一周后将水稻幼苗移栽到土壤中并加入35g稻壳灰 固态肥；在水稻到分蘖末期时喷施5mM的稻壳灰液态硅肥600ml，十天内分三次喷施(R-L)。 水稻成熟后获取各组实验数据如表1所示。
表1：水稻收获后地上部生物量
从表1可以看出施加外源硅后水稻地上部的生物量增加，并且同时施加稻壳灰固态肥和 稻壳灰液态硅肥两种类型的硅肥时生物量的增加更加明显。所以高活性的稻壳灰固态肥和稻 壳灰液态硅肥的组合使用将实现水稻产量的提升。
对三组水稻籽粒中的砷进行检测(按照国标GB2762-2017进行检测)，结果如图3所示；
从图3可以看出施加外源硅后水稻籽粒中的砷下降明显，施加1％的稻壳灰固态肥R相 比不加外源硅的CK下降了10.3％，施加1％的稻壳灰固态肥和600ml的稻壳灰液态硅肥相比 不加外源硅的CK下降了51.7％。从上述实验数据可得高活性的稻壳灰固态肥和稻壳灰液态 硅肥的组合使用可以大幅度降低水稻籽粒中的砷含量，实现重金属砷污染的水稻土的安全利 用。
实施例3
一种稻壳灰液态硅肥的制备方法，包括如下步骤：
(1)将1000kg稻壳用超纯水是清洗3次后，在105℃下烘干。
(2)将烘干的稻壳分批置于实施例1中的炉子中在500℃左右进行燃烧碳化，彻底碳化 后降温，研磨并过60目筛得到300kg稻壳细粉。
(3)将1kg稻壳细粉与10L质量百分数为2％的氢氧化钠溶液充分搅拌均匀后在100℃ 情况下煮沸20分钟。
(4)将步骤(3)中煮沸后冷却的溶液，在3000r/分钟的转速下离心5分钟，而后通过中速定性滤纸过滤残留的稻壳灰，取上清液9L。
(5)将(4)中得到的液体用水将稻壳灰液态硅肥稀释35倍后，再用质量百分数为10％ 的盐酸调节pH到8.5，加入315ml的鼠李糖脂并搅拌均匀即得到稻壳灰液态硅肥。
对制备的稻壳灰液态硅肥的性状检测：(按照国标NY/T 1972-2010或者NY 1110-2010 进行检测)稻壳灰液态硅肥中无定型二氧化硅含量为5.2g/L。
稻壳灰液态硅肥的使用方法：
将稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥按照质量配比1：1.9进行配合使用。稻壳灰固态肥的 制备方法为用酒精在空气条件下燃烧稻壳制备得到。稻壳灰固态肥中无定型二氧化硅含量为 205g/kg。
对制备的稻壳灰液态硅肥的应用效果检测：
在面积为96m2的农田中加入55kg的稻壳灰固态肥，在分蘖末期喷施3mM的稻壳灰液 态硅肥28.7L，对比试验水稻则不施加硅肥。水稻收获后砷含量测量数据如图4所示。
从图4可以看出，加入稻壳灰固态肥和稻壳灰液态硅肥的水稻籽粒中的无机砷相比不加 硅的水稻下降了45％，很明显，在实际应用中加入本发明的稻壳灰液态硅肥可以有效的降低 水稻籽粒中的砷含量，实现重金属砷污染的水稻土的安全利用。
根据以上实例证实，利用稻壳制备的稻壳灰液态硅肥，不仅可以增加水稻的产量、提高 水稻抵抗风险的能力，更重要的是可以降低水稻籽粒中的砷含量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对 于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视 为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种稻壳灰液态硅肥，其特征在于，所述稻壳灰液态硅肥中无定型二氧化硅含量为0.14～295g/L；所述稻壳灰液态硅肥中添加有表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的稻壳灰液态硅肥，其特征在于，所述稻壳灰液态硅肥是稻壳在低温碳化下经过加碱反应以及调节pH后，再加入表面活性剂复配制备得到。
3.一种稻壳灰液态硅肥的应用方法，其特征在于，将权利要求1或2中稻壳灰液态硅肥与稻壳灰固态肥配合后用做于水稻的硅肥补充剂以及砷吸收抑制剂；所述稻壳灰固态肥是在有氧条件下燃烧稻壳制备得到。
4.根据权利要求3所述的稻壳灰液态硅肥的应用方法，其特征在于，所述稻壳灰固态肥与稀释后稻壳灰液态硅肥的质量配比为0.05～1.9:1。
5.一种稻壳灰液态硅肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将稻壳放在碳化炉内燃烧碳化；
(2)将步骤(1)所得的碳化稻壳研磨并过筛；
(3)将步骤(2)得到的碳化稻壳细粉加入碱液中进行反应，而后离心、过滤；
(4)将步骤(3)中的滤液先稀释1～2105倍，而后用酸性溶液调节pH至8.5～9.5；
(5)将步骤(4)得到的液体加入表面活性剂并搅拌即得到稻壳灰液态硅肥。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳化炉的温度控制在400～600℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液；所述氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液的质量百分数为1％～120％；每克碳化稻壳细粉添加10～700mL碱液，碱液添加后的反应环境为煮沸。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液为盐酸溶液；所述表面活性剂为鼠李糖脂，鼠李糖脂的添加量为步骤(4)后得到的液体体积的3.5～5.25％。
9.一种可用于稻壳灰液态硅肥制备方法中的稻壳灰低温碳化炉，其特征在于，所述低温碳化的碳化温度不超过600℃；稻壳灰低温碳化炉包括炉体(101)，所述炉体(101)包括底座(1)和炉身(2)，所述炉身(2)包括由炉壁(3)围成的堆放稻壳的炉膛(4)，所述炉膛(4)内设有中心燃烧室(5)，所述中心燃烧室(5)设有进风口(51)和出风口(52)，所述中心燃烧室(5)的外壁开孔并与所述炉膛(4)导通。
10.根据权利要求9所述的稻壳灰低温碳化炉，其特征在于，所述炉膛(4)中包括通风管(6)，所述通风管(6)的壁上具有孔径小于稻壳的通气孔(61)；所述炉壁(3)上具有通风孔(8)。
11.根据权利要求10所述的稻壳灰低温碳化炉，其特征在于，所述炉壁(3)是可拆卸安装在所述底座(1)上，所述通风管(6)是可拆卸安装在所述底座(1)上并延伸至所述炉膛(4)中。
12.根据权利要求9所述的稻壳灰低温碳化炉，其特征在于，所述中心燃烧室(5)为柱状，所述炉身(2)为锥状，所述中心燃烧室(5)与所述炉身(2)为同轴结构。
13.根据权利要求9所述的稻壳灰低温碳化炉，其特征在于，所述底座(1)为可通风的底座，所述底座(1)与所述中心燃烧室(5)中的进风口(51)之间采用通风栅(7)连接。
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| CN2217731Y (zh) * | 1995-02-10 | 1996-01-17 | 李海东 | 稻壳燃烧炉 |
| CN107244993A (zh) * | 2017-04-26 | 2017-10-13 | 上海联业农业科技有限公司 | 鼠李糖脂硅肥及其制备方法 |
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