CN114902930A

CN114902930A - 一种生物炭无土栽培基质的制备方法

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Publication number: CN114902930A
Application number: CN202210481048.3A
Authority: CN
Inventors: 张立华; 秦晓春
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2042-05-05
Also published as: CN114902930B

Abstract

本发明公开一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括：(1)将粉煤灰与农业生物质粉末混合均匀后进行造粒，得前驱体颗粒；然后将该前驱体颗粒干燥后进行碳化处理，得碳化内核颗粒。(2)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末混合均匀后掺入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入乙醇制备成浆体。(3)将所述碳化内核颗粒浸入浆体中，然后取出碳化内核颗粒干燥，得活性支撑体颗粒。(4)在活性支撑体颗粒中掺入硅酸钠固体粉末混匀，然后洒水拌匀后静置，即得。本发明以固体废弃物为原料，经过改性工艺得到了一种新型无土栽培基质，不仅能够满足作物无土栽培的需求，而且能够对作物起到很好的支撑、固定效果，改善作物在生长过程中出现倒伏的现象。

Description

一种生物炭无土栽培基质的制备方法

技术领域

本发明涉及无土栽培技术领域，具体涉及一种生物炭无土栽培基质的制备方法。

背景技术

传统的作物栽培一般都是使用土壤来栽培的，而无土栽培是不用传统土壤进行作物栽培的新型种植方法，常见的无土栽培方式主要为水培、基质栽培，对应的栽培基质为营养液、固体基质等，从而实现用人工创造的作物根系环境取代土壤环境。无土栽培技术是农业发展的未来趋势，目前也已经得到了广泛应用。相对于传统的土壤作物种植技术，无土栽培技术不仅能满足作物对养分、水分、空气等条件的需要，而且还能够对这些条件进行调控，获得更好的生长条件，有利于作物更好地生长。

传统的无土栽培基质主要是由草炭和惰性材料混合而成，这些惰性材料包括珍珠岩、沙子、蛭石、火山岩等。然而，草炭是一种不可再生资源、难以在大规模无土栽培中推广应用，而且也无法满足无土栽培技术可持续发展的需求。研究表明，生物炭可以作为无土栽培的活性基质，但由于活性炭的质量轻，其在用于无土栽培时对作物的固定作用较差，导致作物容易出现倒伏、折断等方面问题，在实际应用中效果并不理想，还需继续探索和改进。

发明内容

本发明提供一种生物炭无土栽培基质的制备方法，其以固体废弃物为原料，经过改性工艺得到的无土栽培基质不仅能够满足作物无土栽培的需求，而且能够对作物起到很好的支撑、固定效果，改善作物在生长过程中出现倒伏的现象。为实现上述目的，本发明公开如下技术方案。

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将粉煤灰与农业生物质粉末混合均匀后造粒，得前驱体颗粒。然后将该前驱体颗粒干燥后进行碳化处理，得碳化内核颗粒，备用。

(2)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末混合均匀后掺入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入乙醇制备成浆体，备用。

(3)将所述碳化内核颗粒浸入浆体中，使碳化内核颗粒表面包覆浆体，然后将碳化内核颗粒取出干燥，得到活性支撑体颗粒。

(4)在所述活性支撑体颗粒中掺入硅酸钠固体粉末并混合均匀，然后洒水拌匀后静置，即得所述生物炭无土栽培基质。

进一步地，步骤(1)中，所述粉煤灰与农业生物质粉末的质量比为1g：3～4g。优选地，所述农业生物质包括秸秆、稻壳、木粉、甘蔗渣等中的至少一种。

进一步地，步骤(1)中，所述前驱体颗粒的粒径保持在3～5mm之间。在本发明中，所述粉煤灰不仅起到粘接、支撑前驱体颗粒，防止其散架的作用，而且还作为过渡组分起到增加与外包覆层之间的结合力的作用。

进一步地，步骤(1)中，所述干燥温度为70～85℃，时间为40～60min。通过干燥去除前驱体颗粒中的大部分水分，便于后续进行碳化处理。

进一步地，步骤(1)中，所述碳化处理的温度为500～600℃，时间为1.5～2小时。生物质中含有大量的有机质，碳化后形成大量的无机物，可作为无土栽培时作物生长的营养物质。

进一步地，步骤(2)中，所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的摩尔比为1：2.0～2.1，优选为1：2.0。磷酸固体在步骤(4)中水的作用下溶解后可与碳酸钙反应形成磷酸盐，其可以为作物生长提供钙、磷元素等无机盐。

进一步地，步骤(2)中，所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为固体总质量的10～14％。所述固体总质量为碳酸钙粉末、磷酸固体粉末、粉煤灰、有机质四者的质量之和。

进一步地，步骤(2)中，所述粉煤灰和有机质的比例为2.5～3g：1g。

进一步地，步骤(2)中，所述有机质包括发酵至无臭味的鸡粪、猪粪、牛粪等动物粪便。

进一步地，步骤(2)中，所述浆体中的固含量为30～37％(质量％)。

进一步地，步骤(2)中，所述乙醇为质量分数不小于95％的乙醇，优选为无水乙醇，以减小对所述磷酸固体的溶解。同时，乙醇还容易在后续干燥过程中去除，形成多孔外壳。

进一步地，步骤(3)中，所述干燥温度为70～80℃，时间为25～40min。优选地，在所述干燥后还可以继续浸入浆体进行再次包覆，以得到所需厚度的包覆层。

进一步地，步骤(4)中，所述硅酸钠固体粉末的掺入量为硅酸钠固体粉末：碳酸钙粉末＝1mol：1.15～1.2mol。

进一步地，步骤(4)中，所述水的加入量能够将活性支撑体颗粒表面充分润湿即可，此处并不严格要求，可根据实际需要决定。

进一步地，步骤(4)中，所述静置时间为5～8小时。优选地，可在静置过程中补充洒水，使活性支撑体颗粒之间的胶结反应更加充分。

与现有技术相比，本发明具有以下方面的有益效果：

本发明以固体废弃物为原料，经过改性工艺得到的无土栽培基质不仅能够满足作物无土栽培的需求，而且通过无土栽培基质颗粒之间的胶结增强了整体性，能够对作物起到很好的支撑、固定效果，改善作物在生长过程中出现倒伏的现象。具体如下：

首先，本发明以生物质和粉煤灰为原料制备碳化内核颗粒，其主要原因在于：(1)将粉煤灰与生物质粉末混合后，在后续湿法造粒的过程中粉煤灰与水形成粘结剂可以将生物质粉末很好地粘接在一起，可以有效防止得到的前驱体颗粒散架，而且这些粉煤灰在高温碳化过程中有助于减小前驱体颗粒中生物炭的坍塌，保证前驱体颗粒球状结构的同时，有助于得到的生物炭具有更多的孔隙。(2)前驱体颗粒表层的粉煤灰还作为过渡组分起到增加与外包覆层之间结合力的作用，因为外包覆层为以粉煤灰为主要组分的结构，其包覆在碳化内核颗粒的表面时，存在容易分层而导致包覆层破损、脱落的问题。而通过在碳化内核颗粒中加入粉煤灰后，当碳化内核颗粒进入外包覆层浆液中后，部分浆液可以进入碳化内核颗粒表层与其中的粉煤灰形成过渡层，而这些碳化内核颗粒中原有的粉煤灰经过高温烧结后和碳化内核颗粒结合紧密，从而提高了碳化内核颗粒和外包覆层之间的结合力。(3)本发明通过将碳化内核颗粒作为无土栽培基质的内核，不仅可以起到快速吸收多余水分、保水，防止植物烂根的作用，而且可以利用其吸附的水在后期将其中的无机盐离子缓释出来，起到长期、稳定促进作物生长的作用。

其次，本发明以碳酸钙粉末、磷酸固体粉末、粉煤灰和有机质制备了外包覆层。其中，含有所述有机质的外包覆层可以为作物的生长提供长期的营养物质，所述粉煤灰不仅作为外包覆层的主体结构，而且还与碳化内核颗粒之间形成过渡层提高两者之间的结合力。所述磷酸固体粉末在后期遇水之后溶解，并与碳酸钙反应生成二氧化碳、磷酸二氢钙等磷酸盐。同时随着碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的消耗和气体的释放，使外包覆层形成多孔结构，其特点在于不仅便于水分、养分的进入，而且便于作物根系的扎入，提高作物的稳定性。另外，形成的磷酸二氢钙等磷酸盐可以为作物提供钙、磷元素。同时，上述的二氧化碳在水的参与下与掺入活性支撑体颗粒之间硅酸钠反应形成硅酸沉淀胶体，其能够对活性支撑体颗粒形成一定的粘接作用，降低栽培基质整体的分散性，有助于提高对作物的固定支撑作用，防止作物长高后因自身重量、风力等影响而出现倒伏的现象。同时，通过外包覆层进入其中的硅酸钠参与反应生成的硅酸胶体可以进一步使外包覆层得到固化，并且与外部的硅酸胶体形成连续相，有助于增强活性支撑体颗粒之间的结合力。而进入外包覆层和碳化内核颗粒界面处的硅酸胶体可以进一步强化两者之间的结合力。另外，硅酸沉淀胶体使活性支撑体颗粒之间具有破坏后再次重新胶结的特点。

具体实施方式

需要说明的是，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同，除非另行定义。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。

此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将干燥后的小麦秸秆粉碎，然后将其与粉煤灰按照3.5：1的质量比置于搅拌机中搅拌20min使两者混合均匀。然后将得到的混合物置于造粒机中进行湿法造粒，得到粒径保持在3～5mm之间的前驱体颗粒。

(2)将所述前驱体颗粒置于烘箱中在80℃下烘干45min，然后置于炭化炉中，在氮气保护下，于540℃碳化处理2小时，完成后冷却至室温，得到碳化内核颗粒，备用。

(3)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末按照1：2的摩尔比混合均匀，然后加入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入无水乙醇制备成固含量为33％的浆体，备用，其中：所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为本步骤固体总质量的12％，所述粉煤灰和有机质的质量为3：1，所述有机质为发酵至无臭味猪粪。

(4)将步骤(2)的碳化内核颗粒浸入步骤(3)的浆体中，使所述碳化内核颗粒表面包覆浆体，然后将碳化内核颗粒取出后在80℃干燥30min，得到活性支撑体颗粒。

(5)在所述活性支撑体颗粒中掺入硅酸钠固体粉末并混合均匀，其中，硅酸钠固体粉末：碳酸钙粉末＝1mol：1.15mol。然后洒水使活性支撑体表面充分润湿并快速拌匀后静置6小时，即得生物炭无土栽培基质。

实施例2

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将干燥后的稻壳与粉煤灰按照3：1的质量比置于搅拌机中搅拌20min使两者混合均匀。然后将得到的混合物置于造粒机中进行湿法造粒，得到粒径保持在3～5mm之间的前驱体颗粒。

(2)将所述前驱体颗粒置于烘箱中在70℃下烘干60min，然后置于炭化炉中，在氮气保护下，于500℃碳化处理2小时，完成后冷却至室温，得到碳化内核颗粒，备用。

(3)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末按照1：2.1的摩尔比混合均匀，然后加入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入95％的乙醇制备成固含量为30％的浆体，备用，其中：所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为本步骤固体总质量的10％，所述粉煤灰和有机质的质量为2.5：1，所述有机质为发酵至无臭味鸡粪。

(4)将步骤(2)的碳化内核颗粒浸入步骤(3)的浆体中，使所述碳化内核颗粒表面包覆浆体，然后将碳化内核颗粒取出后在75℃干燥25min，得到活性支撑体颗粒。

(5)在所述活性支撑体颗粒中掺入硅酸钠固体粉末并混合均匀，其中，硅酸钠固体粉末：碳酸钙粉末＝1mol：1.2mol。然后洒水使活性支撑体表面充分润湿并快速拌匀后静置8小时，即得生物炭无土栽培基质。

实施例3

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将干燥后的稻壳与粉煤灰按照4：1的质量比置于搅拌机中搅拌25min使两者混合均匀。然后将得到的混合物置于造粒机中进行湿法造粒，得到粒径保持在3～5mm之间的前驱体颗粒。

(2)将所述前驱体颗粒置于烘箱中在85℃下烘干40min，然后置于炭化炉中，在氮气保护下，于600℃碳化处理1.5小时，完成后冷却至室温，得到碳化内核颗粒，备用。

(3)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末按照1：2.1的摩尔比混合均匀，然后加入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入95％的乙醇制备成固含量为37％的浆体，备用，其中：所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为本步骤固体总质量的14％，所述粉煤灰和有机质的质量为2.8：1，所述有机质为发酵至无臭味鸡粪。

(4)将步骤(2)的碳化内核颗粒浸入步骤(3)的浆体中，使所述碳化内核颗粒表面包覆浆体，然后将碳化内核颗粒取出后在70℃干燥40min，得到活性支撑体颗粒。

(5)在所述活性支撑体颗粒中掺入硅酸钠固体粉末并混合均匀，其中，硅酸钠固体粉末：碳酸钙粉末＝1mol：1.18mol。然后洒水使活性支撑体表面充分润湿并快速拌匀后静置5小时，即得生物炭无土栽培基质。

实施例4

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将干燥后的小麦秸秆粉碎，然后将其置于造粒机中进行湿法造粒，得到粒径保持在3～5mm之间的前驱体颗粒。

实施例5

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(3)粉煤灰和有机质按照3：1的质量比混合均匀后加入无水乙醇制备成固含量为33％的浆体，备用，其中：所述有机质为发酵至无臭味猪粪。

(5)在所述活性支撑体颗粒中洒水，使活性支撑体表面充分润湿并快速拌匀后静置6小时，即得生物炭无土栽培基质。

实施例6

一种生物炭无土栽培基质的制备方法，包括如下步骤：

(3)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末按照1：2的摩尔比混合均匀，然后加入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入无水乙醇制备成固含量为33％的浆体，备用，其中：所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为本步骤固体总质量的12％，所述粉煤灰和有机质的质量为3：1，所述有机质包括发酵至无臭味猪粪。

效果测试：

1、对上述各实施例制备的生物炭无土栽培基质的种植效果分别进行测试。试验采用无土栽培盆，在上述步骤(4)完成后，将活性支撑体颗粒装入无土栽培盆中进行所述步骤(5)，完成后进行黄瓜的栽种。每个无土栽培盆盆定植2株，定植后浇一次定植水，定植后管理按照常规无土黄瓜栽培方法进行。待黄瓜拉秧后测定其每个无土栽培盆中2株植株的平均株高、茎粗、黄瓜产量，结果如表1所示。

2、对上述各实施例制备的生物炭无土栽培基质对作物的固定效果分别进行测试。试验采用无土栽培盆，在上述步骤(4)完成后，将活性支撑体颗粒装入无土栽培盆中进行所述步骤(5)，完成后进行黄瓜的栽种。每个无土栽培盆盆定植2株，定植后浇一次定植水，定植后管理按照常规无土黄瓜栽培方法进行。对生长至30cm株高的植株采用风扇的三级风速连续吹1小时，所述风扇距离植株1m，观察倒伏情况，结果如表1所示(括号内时间表示发生倾倒时已经连续吹风的时间)。

表1

从表1的测试结果可以看出，实施例1、实施例2和实施例3对黄瓜植株不仅具有良好的促进生长的作用，从而有助于增加作物的产量。同时还对黄瓜植株起到很好的固定效果，改善作物在生长过程中出现倒伏的现象。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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

1.一种生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将粉煤灰与农业生物质粉末混合均匀后造粒，得前驱体颗粒；然后将该前驱体颗粒干燥后进行碳化处理，得碳化内核颗粒，备用；

(2)将碳酸钙粉末、磷酸固体粉末混合均匀后掺入粉煤灰和有机质的混合物中，混合均匀后加入乙醇制备成浆体，备用；

(3)将所述碳化内核颗粒浸入浆体中，使碳化内核颗粒表面包覆浆体，然后将碳化内核颗粒取出干燥，得活性支撑体颗粒；

2.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述粉煤灰与农业生物质粉末的质量比为1g：3～4g；优选地，所述农业生物质包括秸秆、稻壳、木粉、甘蔗渣中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述前驱体颗粒的粒径保持在3～5mm之间；优选地，步骤(1)中，所述干燥温度为70～85℃，时间为40～60min。

4.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳化处理的温度为500～600℃，时间为1.5～2小时。

5.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的摩尔比为1：2.0～2.1，优选为1：2.0；

优选地，步骤(2)中，所述碳酸钙粉末、磷酸固体粉末的掺入量为固体总质量的10～14％。

6.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述粉煤灰和有机质的比例为2.5～3g：1g；优选地，所述有机质包括发酵至无臭味的鸡粪、猪粪、牛粪中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述浆体中的固含量为30～37％；优选地，步骤(2)中，所述乙醇为质量分数不小于95％的乙醇，更优选为无水乙醇。

8.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述干燥温度为70～80℃，时间为25～40min；优选地，在所述干燥后继续浸入浆体进行再次包覆。

9.根据权利要求1所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述硅酸钠固体粉末的掺入量为硅酸钠固体粉末：碳酸钙粉末＝1mol：1.15～1.2mol。

10.根据权利要求1-9任一项所述的生物炭无土栽培基质的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述静置时间为5～8小时；优选地，在所述静置过程中补充洒水。