CN117402624A - 一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 - Google Patents
一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117402624A CN117402624A CN202311345960.7A CN202311345960A CN117402624A CN 117402624 A CN117402624 A CN 117402624A CN 202311345960 A CN202311345960 A CN 202311345960A CN 117402624 A CN117402624 A CN 117402624A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- biochar
- iron
- solution
- drying
- modified
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 125
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 63
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 244000005700 microbiome Species 0.000 title claims abstract description 14
- 238000002715 modification method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 26
- 241000605222 Acidithiobacillus ferrooxidans Species 0.000 claims abstract description 17
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 13
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000012258 culturing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910001448 ferrous ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 67
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 238000009630 liquid culture Methods 0.000 claims description 22
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 21
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 claims description 19
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 claims description 19
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 claims description 19
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 claims description 19
- 239000010871 livestock manure Substances 0.000 claims description 19
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 18
- CSNNHWWHGAXBCP-UHFFFAOYSA-L Magnesium sulfate Chemical compound [Mg+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] CSNNHWWHGAXBCP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 14
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 14
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 claims description 14
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- -1 iron ion Chemical class 0.000 claims description 13
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 11
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 7
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L dipotassium hydrogen phosphate Chemical compound [K+].[K+].OP([O-])([O-])=O ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 7
- 235000003891 ferrous sulphate Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000011790 ferrous sulphate Substances 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 229910000359 iron(II) sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052943 magnesium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 235000019341 magnesium sulphate Nutrition 0.000 claims description 7
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims description 7
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 claims description 7
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 20
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 17
- 239000002253 acid Substances 0.000 abstract description 9
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 abstract description 5
- 239000010902 straw Substances 0.000 abstract description 5
- TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L Magnesium chloride Chemical compound [Mg+2].[Cl-].[Cl-] TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 abstract 1
- 229910001629 magnesium chloride Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 abstract 1
- 206010016807 Fluid retention Diseases 0.000 description 12
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 10
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 8
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 3
- 240000008067 Cucumis sativus Species 0.000 description 2
- 235000010799 Cucumis sativus var sativus Nutrition 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H iron(3+) sulfate Chemical compound [Fe+3].[Fe+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 229910000360 iron(III) sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N Ferrous sulfide Chemical class [Fe]=S MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004160 Phosphoric Monoester Hydrolases Human genes 0.000 description 1
- 108090000608 Phosphoric Monoester Hydrolases Proteins 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010046334 Urease Proteins 0.000 description 1
- MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] Chemical compound [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002168 alkylating agent Substances 0.000 description 1
- 229940100198 alkylating agent Drugs 0.000 description 1
- 230000029936 alkylation Effects 0.000 description 1
- 238000005804 alkylation reaction Methods 0.000 description 1
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 238000004382 potting Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K17/00—Soil-conditioning materials or soil-stabilising materials
- C09K17/02—Soil-conditioning materials or soil-stabilising materials containing inorganic compounds only
- C09K17/04—Soil-conditioning materials or soil-stabilising materials containing inorganic compounds only applied in a physical form other than a solution or a grout, e.g. as granules or gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K2109/00—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE pH regulation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Soil Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，包括以下步骤：秸秆浸于氯化镁溶液，抽滤烘干后热解获得生物炭；将生物炭和硫酸溶液混合，加入铁质物，获得含有亚铁离子的生物炭混合溶液；制备培养基；进行氧化亚铁硫杆菌的培养和富集，获得菌液；在含有亚铁离子的生物炭酸混合液中加入菌液培养一段时间；培养结束后，将生物炭热解，获得铁改性生物炭。本发明利用微生物对生物炭进行铁改性，提高生物炭的保水性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物炭微生物改性技术领域，尤其是涉及一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法。
背景技术
干旱是制约农业发展的一个重要因素。另外，长期不合理的耕作方式及管理模式致使农田耕地质量严重下降，土壤结构遭到破坏，有机质含量逐渐降低，保水保肥能力下降，并对环境造成了一定的污染，严重阻碍了农业可持续发展。目前，利用高分子聚合物作为保水材料可达到抗旱节水增产的效果，已发展成为一项农业新技术。但存在施用成本高、功能单一和潜在的环境风险问题。开发可降解、低成本、长效保水剂已成为目前研究的主要方向。
生物炭因其制备方式简单，原材料易得，且具有丰富的孔隙结构、较高的比表面积、拥有羟基、羧基、脂族双键等亲水基团，可用作保水剂，在土壤改良方面具有较好的应用前景，目前已有研究表明，通过对生物炭进行改性可以改变其表面理化性质，增加活性官能团的数目和种类，增大比表面积，优化生物炭的理化性质和功能。常见的生物炭改性方法包括：1.烷基化改性：通过将烷基化剂引入生物炭孔道中对生物炭进行改性，增加生物炭的亲水性、表面活性和催化活性；2.活化改性：通过将生物炭放入活化剂中，如碱金属氢氧化物或碳酸盐，增加生物炭的孔隙度和表面积，提高其催化和吸附性能；3、纳米材料改性：将纳米材料引入生物炭结构中，如金属氧化物和碳纳米管，增强生物炭的导电性、催化活性和光催化性能。但上述生物炭改性方法中，操作繁琐且制备效率低，不利于大面积推广。近年来，一些金属如铁、锰的氧化物被广泛应用于生物炭改性，取得了较好的效果。常见的铁基改性材料包括磁性氧化铁、纳米零价铁和铁硫化合物，然而，这些改性生物炭的制备方法相对复杂且成本较高，如何高效对生物炭进行铁改性是研究的重点。生物炭经过微生物改性后，不但能平衡土壤中的PH值，还能增加有机碳、土壤速效磷、硝态氮、铵态氮以及土壤磷酸酶、土壤脲酶的含量。
因此，本领域技术人员致力于开发一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，利于微生物对生物炭进行铁改性，提高生物炭的保水性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，利于微生物对生物炭进行铁改性，提高生物炭的保水性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，包括以下步骤：
S1.将富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去杂、清洗后干燥，并将处理后的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆放入至MgCl2溶液中，搅拌、振荡后过滤干燥，放入至气氛炉在N2氛围下进行热解形成生物炭；
S2.将生物炭置于H2SO4溶液中并加入铁质物，充分反应后得到含亚铁离子的改性生物炭混合液；
S3.从煤矿排水口采集酸性水样，置于25℃～30℃下保存；
S4.制备液体培养基A液：将硫酸铵、氯化钾、硝酸钙、硫酸镁、磷酸氢二钾按照质量分数3g:0.1g:0.01g:0.5g:0.5g加入至反应器中，并加入去离子水后定容至400mL，调节pH值至2～2.5后，灭菌；
制备液体培养基B液：将质量分数为44.5g的硫酸亚铁用蒸馏水溶解，并定容至600mL；
将A液和B液混合均匀后，调节pH值至2～2.5形成液体培养基；
S5.将步骤S4中的液体培养基和步骤S3中的酸性水样按照体积分数10:1加入至反应容器中，并移入至水浴振荡器中培养5代以上，形成富集培养氧化亚铁硫杆菌；
S6.将步骤S2中改性生物炭混合液中加入步骤S5中富集后的氧化亚铁硫杆菌，加入硫酸铵溶液后水浴振荡培养；
S7.将步骤S6中的混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，得到铁基生物炭。
本发明的有益效果是：通过氧化亚铁硫杆菌，将溶液中的亚铁离子转化生成铁离子，使改性生物炭负载铁离子，获得铁改性生物炭，细菌氧化Fe2+生成的Fe3+比纯化学试剂硫酸铁的Fe3+具有更好的氧化能力，通过细菌将Fe2+、Fe3+金属离子负载到生物炭表面后，表面的阴离子交换量增加、活性吸附位点明显增多，改性后的生物炭的吸附能力、催化性能都得到了很大的提高，得到的铁改性生物炭可以改善生物炭的性能，可以提高生物炭的保水特性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤S1中，富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆放入至MgCl2溶液中后，搅拌的时间为1h～2h后，振荡时间为12h～24h，过滤干燥时间为2h～3h。
采用上述进一步方案的有益效果是MgCl2溶液利于后续促进微生物活化。
进一步，步骤S1中，干燥后的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆在气氛炉热解过程中，升温速率为5℃/min～10℃/min，目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h。
采用上述进一步方案的有益效果是将富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆在气氛炉中适宜的条件下逐渐热解形成生物炭。
进一步，步骤S4中，调节液体培养基A液pH值采用H2SO4溶液，灭菌时间为20min～30min。
采用上述进一步方案的有益效果是制备液体培养液，利于后续快速培养微生物。
进一步，步骤S5中，水浴振荡器的培养温度为28℃～35℃，转速为100r/min～120r/min，培养时间为4d～5d。
采用上述进一步方案的有益效果是在水浴振荡器适宜的条件下培养氧化亚铁硫杆菌。
进一步，步骤S6中，水浴振荡器的培养温度为28℃～35℃，培养时间为10d～15d。
采用上述进一步方案的有益效果是在适宜的温度和转速下，加快氧化亚铁硫杆菌的培养速率。
进一步，步骤S7中，烘干后将铁改性生物炭在气氛炉热解过程中，升温速率为5℃/min～10℃/min，目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h。
采用上述进一步方案的有益效果是铁改性生物炭热解形成铁基生物炭。
附图说明
图1为本发明一具体实施例步骤流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种生物炭的改性方法，具体实施步骤如下：
(1)分别取富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去除杂质清洗后干燥，把处理过的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆混匀置于MgCl2溶液，搅拌1h～2h后，振荡12h～24h，过滤干燥2h～3h后放入管式炉，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃～10℃/min目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h，由此获得生物炭。
(2)将步骤S1得到的生物炭置于H2SO4溶液中，在混合液中加入铁丝或铁屑等铁质物，充分反应后得到含亚铁离子的改性生物炭混合液。
(3)从煤矿排水口采集酸性水样，置于25℃～30℃下保存。
(4)制备液体培养基，具体的，液体培养基A液：称取硫酸铵3.0g、氯化钾0.1g、硝酸钙0.01g、硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾0.5g至烧杯中，加入去离子水充分溶解后，定容到400mL；用硫酸调节pH值2～2.5，在120℃下，灭菌20min～30min。
B液：称取44.5g硫酸亚铁，用蒸馏水溶解，并定容到600mL，灭菌。将A液和B液混合均匀，调节pH至2～2.5。
(5)富集培养氧化亚铁硫杆菌：具体的，取已灭菌的锥形瓶，加入100mL的液体培养基，然后接种10mL的酸性水样，移入28℃～35℃、100r/min～120r/min的水浴振荡器中培养4d～5d，培养基由之前的浅绿色(Fe2+的颜色)缓慢变深，最后成红棕色，连续培养5代后停止。
(6)在含亚铁离子的改性生物炭混合液中加入富集后的氧化亚铁硫杆菌10mL～20mL，加入1mol/L的硫酸铵溶液10mL，在28℃～35℃下，水浴振荡培养10d～15d。
(7)培养结束后将混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min～10℃/min目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h，由此获得生物炭。
本发明提供中将生物炭酸改性后，对酸溶液进行了二次利用，一定程度上避免了浪费和污染，在酸溶液中加入铁丝生成亚铁离子，降低了溶液的酸性，可以减小后续洗炭的难度。
研究表明细菌氧化Fe2+生成的Fe3+比纯化学试剂硫酸铁的Fe3+具有更好的氧化能力，通过细菌将Fe2+、Fe3+金属离子负载到生物炭表面后，表面的阴离子交换量增加、活性吸附位点明显增多，改性后的生物炭的吸附能力、催化性能都得到了很大的提高。
在适宜的温度下，通过氧化亚铁硫杆菌，将溶液中的亚铁离子转化生成铁离子，使改性生物炭负载铁离子，获得铁改性生物炭。得到的铁改性生物炭可以改善生物炭的性能，可以提高生物炭的保水特性。
本发明中氧化亚铁硫杆菌是一种化能自养嗜酸菌，可以消耗环境中的H+，将负载氧化亚铁硫杆菌的铁改性生物炭施入酸性土壤中，可以调节土壤pH值。
实施例1
(1)分别取富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去除杂质清洗后干燥，把处理过的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆混匀置于MgCl2溶液，搅拌1h后，振荡12h，过滤干燥2h后放入管式炉，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为300℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
(2)将得到的生物炭加入1mol/L的硫酸溶液中，搅拌1h后，将混合液放入振荡机中，振荡12h，得到酸改性生物炭混合液。
(3)在上述混合液中加入铁丝或铁屑，充分反应，得改性生物炭混合液。
(4)从煤矿排水口采集酸性水样，置于28℃下保存。
(5)制备液体培养基。液体培养基A液：称取硫酸铵3.0g、氯化钾0.1g、硝酸钙0.01g、硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾0.5g放入烧杯中，加入去离子水充分溶解后，定容到400mL。用硫酸调节pH值至2，在120℃下，灭菌30min。
液体培养基B液：称取44.5g硫酸亚铁，用蒸馏水溶解，并定容到600mL，灭菌。将A液和B液混合均匀，调节pH至2。
(6)取3已经灭菌的锥形瓶，加入100mL的液体培养基，然后接种10mL的初始菌种(酸性水样)，移入28℃～35℃、120r/min的水浴振荡器中培养5d，培养基由之前的浅绿色缓慢变深，最后成红棕色连续培养5代。
(7)在改性生物炭混合液中加入富集后的氧化亚铁硫杆菌10mL，加入1mol/L的硫酸铵溶液10mL，在28℃下，水浴振荡培养15d。
(8)培养结束后将混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为300℃，停留时间为1h，由此获得铁改性生物炭。
实施例2
(1)分别取富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去除杂质清洗后干燥。把处理过的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆混匀置于MgCl2溶液，搅拌1h后，振荡12h，过滤干燥2h后放入管式炉，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为400℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
(2)将得到的生物炭加入1mol/L的硫酸溶液中，搅拌1h后，将混合液放入振荡机中，振荡12h，得到酸改性生物炭混合液。
(3)在上述混合液中加入铁丝或铁屑，充分反应，得改性生物炭混合液。
(4)从煤矿排水口采集酸性水样，置于28℃下保存。
(5)制备液体培养基,液体培养基A液：称取硫酸铵3.0g、氯化钾0.1g、硝酸钙0.01g、硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾0.5g放入烧杯中，加入去离子水充分溶解后，定容到400mL。用硫酸调节pH值至2，在120℃下，灭菌30min。
液体培养基B液：称取44.5g硫酸亚铁，用蒸馏水溶解，并定容到600mL，灭菌。将A液和B液混合均匀，调节pH至2。
(6)取已经灭菌的锥形瓶，加入100mL的液体培养基，然后接种10mL步骤S4中的初始菌种(酸性水样)，移入28℃～35℃、120r/min的水浴振荡器中培养5d，培养基由之前的浅绿色缓慢变深，最后成红棕色连续培养5代。
(7)在改性生物炭混合液中加入富集后的氧化亚铁硫杆菌10mL，加入1mol/L的硫酸铵溶液10mL，在28℃下，水浴振荡培养15d。
(8)培养结束后将混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为400℃，停留时间为1h，由此获得铁改性生物炭。
实施例3
(1)分别取富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去除杂质清洗后干燥。把处理过的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆混匀置于MgCl2溶液，搅拌1h后，振荡12h，过滤干燥2h后放入管式炉，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为500℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
(2)将得到的生物炭加入3mol/L的硫酸溶液中，搅拌1h后，将混合液放入振荡机中，振荡12h，得到酸改性生物炭混合液。
(3)在上述混合液中加入铁丝或铁屑，充分反应，得改性生物炭混合液。
(4)从煤矿排水口采集酸性水样，置于28℃下保存。
(5)制备液体培养基。液体培养基A液：称取硫酸铵3.0g、氯化钾0.1g、硝酸钙0.01g、硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾0.5g放入烧杯中，加入去离子水充分溶解后，定容到400mL。用硫酸调节pH值至2，在120℃下，灭菌30min。
液体培养基B液：称取44.5g硫酸亚铁，用蒸馏水溶解，并定容到600mL，灭菌。将A液和B液混合均匀，调节pH至2。
(6)取已经灭菌的锥形瓶，加入100mL的液体培养基，然后接种10mL步骤S4中的初始菌种(酸性水样)，移入28℃～35℃、120r/min的水浴振荡器中培养5d，培养基由之前的浅绿色缓慢变深，最后成红棕色连续培养5代。
(7)在改性生物炭混合液中加入富集后的氧化亚铁硫杆菌10mL，加入1mol/L的硫酸铵溶液10mL，在28℃下，水浴振荡培养15d。
(8)培养结束后将混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为500℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
实施例4
(1)分别取富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去除杂质清洗后干燥。把处理过的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆混匀置于MgCl2溶液，搅拌1h后，振荡12h，过滤干燥2h后放入管式炉，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为700℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
(2)将得到的生物炭加入3mol/L的硫酸溶液中，搅拌1h后，将混合液放入振荡机中，振荡12h，得到酸改性生物炭混合液。
(3)在上述混合液中加入铁丝或铁屑，充分反应，得改性生物炭混合液。
(4)从煤矿排水口采集酸性水样，置于28℃下保存。
(5)制备液体培养基，液体培养基A液：称取硫酸铵3.0g、氯化钾0.1g、硝酸钙0.01g、硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾0.5g放入烧杯中，加入去离子水充分溶解后，定容到400mL。用硫酸调节pH值至2，在120℃下，灭菌30min。
液体培养基B液：称取44.5g硫酸亚铁，用蒸馏水溶解，并定容到600mL，灭菌。将A液和B液混合均匀，调节pH至2。
(6)取已经灭菌的锥形瓶，加入100mL的液体培养基，然后接种10mL S4中的初始菌种(酸性水样)，移入28℃～35℃、120r/min的水浴振荡器中培养5d，培养基由之前的浅绿色缓慢变深，最后成红棕色连续培养5代。
(7)在改性生物炭混合液中加入富集后的氧化亚铁硫杆菌10mL，加入1mol/L的硫酸铵溶液10mL，在28℃下，水浴振荡培养15d。
(8)培养结束后将混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，升温速率为5℃/min目标温度为700℃，停留时间为1h，由此获得生物炭。
实施例5
为了了解制备的铁改性生物炭对土壤持水保水特性的影响，设置了以下8个处理，将实施例1至实施例4和未改性生物炭施入土壤进行盆栽试验，在盆中加入800g土，每个处理三个重复。
处理如下：
T1：800g土+8g实施例1制备的改性生物炭；
T2：800g土+8g实施例1热解温度下制备的未改性生物炭；
T3：800g土+8g实施例2制备的改性生物炭；
T4：800g土+8g实施例2热解温度下制备的未改性生物炭；
T5：800g土+8g实施例3制备的改性生物炭；
T6：800g土+8g实施例3热解温度下制备的未改性生物炭；
T7：800g土+8g实施例4制备的改性生物炭；
T8：800g土+8g实施例4热解温度下制备的未改性生物炭；
将土和生物炭装入盆后，种入黄瓜，每五天浇水200mL待株高到15cm左右，采集土样测定土壤的孔隙度、含水量，测定植株鲜重，测定结果见表1。
在土壤中添加本发明制备的铁改性生物炭，土壤物理结构得到了改善。与未改性生物炭相比，土壤容重减小2.46％～11.29％，总孔隙度增加8.16％～10.27％，毛管孔隙度增加5.84％～10.23％。
在土壤中添加本发明制备的铁改性生物炭，土壤持水性得到了增强。与未改性生物炭相比土壤含水量提高了25.75％～33.40％，饱和含水量提高了13.43％～16.28％，植株鲜重提高了17.41％～26.70％。与未改性生物炭相比施加铁改性生物炭土壤的持水保水能力更强。
表1各处理的土壤理化性质
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆去杂、清洗后干燥，并将处理后的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆放入至MgCl2溶液中，搅拌、振荡后过滤干燥，放入至气氛炉在N2氛围下进行热解形成生物炭；
S2.将生物炭置于H2SO4溶液中并加入铁质物，充分反应后得到含亚铁离子的改性生物炭混合液；
S3.从煤矿排水口采集酸性水样，置于25℃～30℃下保存；
S4.制备液体培养基A液：将硫酸铵、氯化钾、硝酸钙、硫酸镁、磷酸氢二钾按照质量分数3g:0.1g:0.01g:0.5g:0.5g加入至反应器中，并加入去离子水后定容至400mL，调节PH值至2～2.5后，灭菌；
制备液体培养基B液：将质量分数为44.5g的硫酸亚铁用蒸馏水溶解，并定容至600mL；
将A液和B液混合均匀后，调节pH值至2～2.5形成液体培养基；
S5.将步骤S4中的液体培养基和步骤S3中采集的酸性水样按照体积分数10:1加入至反应容器中，并移入至水浴振荡器中培养5代以上，形成富集培养氧化亚铁硫杆菌；
S6.将步骤S2中改性生物炭混合液中加入步骤S5中富集后的氧化亚铁硫杆菌，加入硫酸铵溶液后水浴振荡培养；
S7.将步骤S6中的混合溶液过滤，获得负载铁离子的改性生物炭，烘干后将铁改性生物炭置于气氛炉内，在N2氛围下进行热解，得到铁基生物炭。
2.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S1中，富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆放入至MgCl2溶液中后，搅拌的时间为1h～2h后，振荡时间为12h～24h，过滤干燥时间为2h～3h。
3.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S1中，干燥后的富含氮元素的畜禽粪便和玉米秸秆在气氛炉热解过程中，升温速率为5℃/min～10℃/min，目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h。
4.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S4中，调节液体培养基A液pH值采用H2SO4溶液，灭菌时间为20min～30min。
5.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S5中，水浴振荡器的培养温度为28℃～35℃，转速为100r/min～120r/min，培养时间为4d～5d。
6.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S6中，水浴振荡器的培养温度为28℃～35℃，培养时间为10d～15d。
7.根据权利要求1所述的用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法，其特征在于：步骤S7中，烘干后将铁改性生物炭在气氛炉热解过程中，升温速率为5℃/min～10℃/min，目标温度为300℃～700℃，停留时间为1h～2h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311345960.7A CN117402624A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311345960.7A CN117402624A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117402624A true CN117402624A (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=89495617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311345960.7A Pending CN117402624A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117402624A (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130058846A1 (en) * | 2010-05-19 | 2013-03-07 | Jx Nippon Mining & Metals Corporation | Method for processing acidic solution that contains iodide ions and iron ions |
| CN103865915A (zh) * | 2014-02-24 | 2014-06-18 | 华南理工大学 | 一种氧化亚铁硫杆菌固定化载体及其固定化方法和应用 |
| CN106517467A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-03-22 | 安徽吉思特智能装备有限公司 | 一种含活性炭的复合聚合硫酸铁絮凝剂及其制备方法 |
| CN110668663A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-01-10 | 太原理工大学 | 一种用于污泥重金属生物沥滤的铁硫营养缓释球 |
| CN112194332A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-08 | 天津大学 | 一种基于生物炭热解的生物沥浸污泥资源化方法 |
| CN112225415A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-15 | 天津大学 | 一种改性活性炭介导的污泥生物沥浸去除重金属的方法 |
| WO2021114441A1 (zh) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 南京师范大学 | 一种基于铁富集植物的磁性生物炭及其制备方法和应用 |
| NL2030657A (en) * | 2021-09-16 | 2023-03-24 | Qiaoxi Sewage Treat Plant Of Shijiazhuang Sewage Treat Co Ltd | Adsorbent, preparation method and application thereof |
| US20230146899A1 (en) * | 2011-06-06 | 2023-05-11 | Carbon Technology Holdings, LLC | Biochar as a microbial carrier |
| CN116240375A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-06-09 | 中南大学 | 一种改性活性炭强化含砷金矿生物氧化的方法 |
-
2023
- 2023-10-18 CN CN202311345960.7A patent/CN117402624A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130058846A1 (en) * | 2010-05-19 | 2013-03-07 | Jx Nippon Mining & Metals Corporation | Method for processing acidic solution that contains iodide ions and iron ions |
| US20230146899A1 (en) * | 2011-06-06 | 2023-05-11 | Carbon Technology Holdings, LLC | Biochar as a microbial carrier |
| CN103865915A (zh) * | 2014-02-24 | 2014-06-18 | 华南理工大学 | 一种氧化亚铁硫杆菌固定化载体及其固定化方法和应用 |
| CN106517467A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-03-22 | 安徽吉思特智能装备有限公司 | 一种含活性炭的复合聚合硫酸铁絮凝剂及其制备方法 |
| CN110668663A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-01-10 | 太原理工大学 | 一种用于污泥重金属生物沥滤的铁硫营养缓释球 |
| WO2021114441A1 (zh) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 南京师范大学 | 一种基于铁富集植物的磁性生物炭及其制备方法和应用 |
| CN112194332A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-08 | 天津大学 | 一种基于生物炭热解的生物沥浸污泥资源化方法 |
| CN112225415A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-15 | 天津大学 | 一种改性活性炭介导的污泥生物沥浸去除重金属的方法 |
| NL2030657A (en) * | 2021-09-16 | 2023-03-24 | Qiaoxi Sewage Treat Plant Of Shijiazhuang Sewage Treat Co Ltd | Adsorbent, preparation method and application thereof |
| CN116240375A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-06-09 | 中南大学 | 一种改性活性炭强化含砷金矿生物氧化的方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| YINGBO DONG: "Enhanced effect of biochar on leaching vanadium and copper from stone coal tailings by Thiobacillus ferrooxidans", ENVIRONMENTAL SCIENCE AND POLLUTION RESEARCH, vol. 29, 31 December 2022 (2022-12-31), pages 20398 * |
| 张爱平等著: "海河流域农田增效减负与清洁生产技术研发与示范", vol. 1, 31 August 2020, 中国水利水电出版社, pages: 97 - 100 * |
| 牛文娟: "秸秆微波水热炭和活性炭理化及电化学特性", 农 业 工 程 学 报, vol. 36, no. 17, 30 September 2020 (2020-09-30), pages 202 - 211 * |
| 王雪: "铁改性生物炭材料对 Cr(VI)去除机理研究", 中国学位论文全文数据库, 31 August 2023 (2023-08-31), pages 2 * |
| 秦嗣军等: "寒地苹果高效生产管理技术问答", vol. 1, 31 December 2020, 沈阳出版社, pages: 76 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114230021B (zh) | 一种生物复合填料及其制备方法和应用 | |
| CN109943497A (zh) | 一株具有好氧反硝化功能的施氏假单胞菌及其用途 | |
| WO2021027480A1 (zh) | 一种基于氢氧化细菌的联合微生物固氮制剂及其制备方法 | |
| CN109455828B (zh) | 一种固定化微生物在畜禽养殖废水处理中的应用方法 | |
| CN110540948B (zh) | 一种基于氢氧化细菌的复合菌种及其培养方法 | |
| CN102260663B (zh) | 用于bod生物传感器的磁性固定化颗粒的制备方法 | |
| CN108676767A (zh) | 一种促进厌氧氨氧化菌增殖的方法及其应用 | |
| CN106966494A (zh) | 去除水中硝酸盐氮的方法，电极挂膜方法，电极及装置 | |
| CN109355206A (zh) | 复合微生物除氮菌剂 | |
| CN112645453B (zh) | 用于降低污水中氮含量的复合菌剂 | |
| CN109912002A (zh) | 一种处理染料废水中有机污染物的方法 | |
| CN107337283B (zh) | 一种用于生猪养殖污水活性污泥快速培养的方法 | |
| CN113003717A (zh) | 一种基于磁铁矿强化反硝化厌氧甲烷氧化脱氮的装置及工艺 | |
| CN117402624A (zh) | 一种用于土壤保水的铁基生物炭微生物改性方法 | |
| CN117185492A (zh) | 一种基于藻菌共生系统的有机污染物去除方法 | |
| CN101705126A (zh) | 原位沼气耦合型长效脱硫剂 | |
| CN105870465B (zh) | 一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法 | |
| CN112080637B (zh) | 一种促进微生物Ar-4生物冶金浸出率的光电能法 | |
| CN101172742A (zh) | 一种还原溶液中Fe(III)EDTA的方法及其应用 | |
| CN113845207A (zh) | 一种纤维素磁性载体及其制备方法、含有该载体的厌氧颗粒污泥及其制备方法 | |
| CN113526676A (zh) | 一种可强化脱氮的人工湿地系统 | |
| CN115287209A (zh) | 一种复合微生物菌剂及其在处理猪尿废水中的应用 | |
| CN109896703B (zh) | 一种养殖厌氧污水培养的光-酶复合催化功能微生物净水剂 | |
| CN113186227A (zh) | 一种利用磁场强化生物锰氧化的方法及其应用 | |
| CN104492251A (zh) | 一种络合铁的微生物催化再生方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |