本發(fā)明涉及無土栽培基質(zhì)，特別是以生物炭為原料的無土栽培基質(zhì)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無土栽培基質(zhì)是指代替土壤提供作物機(jī)械支持和物質(zhì)供應(yīng)的固體介質(zhì)。常見的無土栽培基質(zhì)包括泥炭，珍珠巖，巖棉，陶粒，鋸末，浮石，蛭石等，其中除了泥炭，蛭石為活性基質(zhì)外，其余多為惰性基質(zhì)，即本身不含有營(yíng)養(yǎng)成分，而通過吸附的營(yíng)養(yǎng)液保證植物的生長(zhǎng)的基質(zhì)。
相對(duì)于活性基質(zhì)而言，惰性基質(zhì)來源廣泛，可調(diào)性優(yōu)異，使用靈活、方便，成本低廉，具有普適性，其特別優(yōu)異的地方在于可以將某些廢棄物進(jìn)行二次利用，可再生。
我國(guó)年產(chǎn)農(nóng)林業(yè)廢棄物約14億噸，其中僅玉米、水稻、小麥等大宗作物的秸稈產(chǎn)量就達(dá)到6.5億噸，而其中秸稈還田量占比不足20%，被浪費(fèi)的資源量超過50%。
我國(guó)農(nóng)作物秸稈隨意棄置，每年可能形成的面源COD總量極大值約為488萬噸。在此背景下，有不少研究都考慮了對(duì)秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的二次利用，在無土栽培基質(zhì)方面，這樣的研究主要集中于對(duì)秸稈的直接粉碎利用、發(fā)酵利用、生物處理等方面，通常要么過于粗放、利用效率低、可控性差、造成二次污染，要么成本較高、步驟復(fù)雜、加工周期過長(zhǎng)。
從工業(yè)化角度考慮，只有對(duì)秸稈等農(nóng)林廢棄物進(jìn)行統(tǒng)一的、高效地加工，才能實(shí)現(xiàn)其最大的利用價(jià)值。
而數(shù)量龐大的農(nóng)林業(yè)廢棄物正是生物炭的理想來源。生物炭是由生物質(zhì)材料在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)，為多孔狀結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積和較高的表面能，同時(shí)生物炭表面的主要基團(tuán)包括羧基、酚羥基、羰基、內(nèi)酯、吡喃酮、酸酐等，極性官能團(tuán)較少，由此具有良好的吸附特性，
生物炭通常呈現(xiàn)堿性，質(zhì)地疏松，具有超強(qiáng)的肥料持留能力，可以降低養(yǎng)分的流失，還具有較強(qiáng)的持水性能，可以提高基質(zhì)保水能力；此外生物炭還含有植物生長(zhǎng)所需的一些營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物生長(zhǎng)也具有促進(jìn)作用。
生物炭技術(shù)正契合了高效的、工業(yè)化的利用農(nóng)林廢棄物資源，減少面源污染的需要，具有很好的應(yīng)用前景和意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種可高效工業(yè)化制備的、可有效利用農(nóng)林廢棄物的、可顯著提高作物生長(zhǎng)質(zhì)量的無土栽培基質(zhì)，本發(fā)明的另一目的在于提出這種無土栽培基質(zhì)的制備方法。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的：
一種生物炭/硅溶膠復(fù)合無土栽培基質(zhì)的制備方法，包括以下步驟：
（1）生物炭的制備：
以植物廢棄物為碳源，采用熱解法制備生物炭；
（2）硅溶膠的復(fù)合：
將通過酸中和法或復(fù)分解法制備的硅溶膠與所述生物炭進(jìn)行復(fù)合，其后再于溫度25~40℃，相對(duì)濕度55~65%的條件下老化養(yǎng)護(hù)7~15天，取出洗滌、干燥，即得到所述無土栽培基質(zhì)；
上述復(fù)合是指硅溶膠浸入生物炭中的過程。
該技術(shù)方案中所述熱解法是指在隔絕空氣的條件下將目標(biāo)物進(jìn)行加熱分解的方法。
生物炭雖然為多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大、吸附能力強(qiáng)，但其通常呈現(xiàn)粉狀或松散的顆粒/碎塊狀，直接用作基質(zhì)時(shí)，沒有足夠的強(qiáng)度支撐作物生長(zhǎng)，使作物產(chǎn)生根基不穩(wěn)、倒伏等現(xiàn)象，若使用常規(guī)的粘結(jié)材料對(duì)生物炭進(jìn)行粘合，要么其與生物炭的粘結(jié)性能不好，難以將松散的結(jié)構(gòu)粘合為整體，要么其容易對(duì)作物產(chǎn)生危害，硅溶膠生物相容性好，與生物炭的結(jié)合能力好，兩者形成的復(fù)合材料強(qiáng)度高、吸附能力強(qiáng)、耐候性好，硅溶膠在生物炭中不僅起到粘合作用，同時(shí)其中的微小顆?？勺鳛樵鰪?qiáng)材料，提高兩者復(fù)合后的強(qiáng)度，此外，硅溶膠的粒徑達(dá)到納米級(jí)，其本身的吸附能力也較強(qiáng)，在與生物炭進(jìn)行復(fù)合時(shí)，形成連續(xù)相，進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的小分子吸收、吸附、固定的能力。
優(yōu)選的是：所述步驟（2）中所述復(fù)合的過程為：先經(jīng)酸中和法或復(fù)分解法通過硅源材料制備得到硅溶膠，再使用所述硅溶膠浸漬所述生物炭。
該優(yōu)選方案中先進(jìn)行了硅溶膠的制備，再進(jìn)行了硅溶膠的浸漬，得到的無土栽培基質(zhì)均一性良好。
另一種優(yōu)選的無土栽培基質(zhì)的制備方法為：所述步驟（2）中所述復(fù)合的過程為：先用硅源材料的溶液浸漬所述生物炭10~30min，再用無機(jī)酸或水溶性鹽浸漬含硅源材料的生物炭。
該優(yōu)選方案中硅溶膠的制備與無土栽培基質(zhì)的獲得是同時(shí)進(jìn)行的，首先將浸潤(rùn)性良好的硅源材料（通常為溶液）充分浸潤(rùn)生物炭，其后再原位生成了硅溶膠，同時(shí)進(jìn)行硅溶膠與生物炭的復(fù)合，因此得到的無土栽培基質(zhì)中硅溶膠相的連續(xù)性良好，浸潤(rùn)程度高，基質(zhì)整體強(qiáng)度高，成型性良好。
另一種優(yōu)選的無土栽培基質(zhì)的制備方法為：所述步驟（2）中所述復(fù)合的過程為：先用無機(jī)酸或水溶性鹽浸漬所述生物炭10~30min，再用硅源材料的溶液浸漬含無機(jī)酸或水溶性鹽的生物炭。
所述無土栽培基質(zhì)的制備方法的另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述步驟（1）中所述植物廢棄物為農(nóng)作物秸稈、竹木加工廢棄物、樹枝、樹葉、果殼、果皮、酒糟、甘蔗渣、稻谷殼、棉籽殼、廢棄食用菌培養(yǎng)基中的一種或多種。
其另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述步驟（1）中所述熱解法的溫度為300~600℃。
該優(yōu)選熱解溫度一方面可以促使植物廢棄物的充分分解，另一方面可得到尺寸分布均勻、合理的生物炭。
其另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述步驟（2）中所述酸中和法選用的無機(jī)酸為鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一種或多種；所述復(fù)分解法中選用的水溶性鹽為氯化銨、碳酸銨、碳酸氫銨、硝酸銨的一種或多種。
其另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述步驟（2）中所述生物炭的質(zhì)量與所述硅溶膠的體積比為1:5~10。
此處所述生物炭的質(zhì)量與所述硅溶膠的體積比（w/m）為同一量級(jí)的數(shù)值的比，如其單位為g/mL或kg/L。
其另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述步驟（2）中所述生物炭的粒徑為0.2~0.5mm。
硅溶膠與生物炭的用量比，及生物炭的尺寸決定了最終得到的無土栽培基質(zhì)的強(qiáng)度、相結(jié)構(gòu)與吸附能力，實(shí)施上述兩種優(yōu)選方案后得到的無土栽培基質(zhì)對(duì)水及養(yǎng)料分子的吸附能力控制恰當(dāng)，一方面可保證栽種植物對(duì)水分及營(yíng)養(yǎng)元素的充分吸收，另一方面又不致使其因吸水過多而出現(xiàn)生長(zhǎng)異常。
所述無土栽培基質(zhì)的制備方法的另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述硅源材料為水玻璃（Na2O?nSiO2）。
其進(jìn)一步的優(yōu)選為：所述水玻璃為模數(shù)為3.0~3.5的水玻璃，特別優(yōu)選模數(shù)為3.2的水玻璃。
本發(fā)明具備以下有益效果：
（1）本發(fā)明通過硅溶膠與生物炭的復(fù)合，在生物炭中形成連續(xù)的Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了生物炭的固化，使得到的無土栽培基質(zhì)強(qiáng)度高、形狀規(guī)整，另一方面進(jìn)一步增加了無土栽培基質(zhì)對(duì)水分子及養(yǎng)料分子的吸收、吸附、固定的能力；
（2）本發(fā)明中不同的硅溶膠與生物炭的質(zhì)量比及生物炭尺寸，可以對(duì)應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)度不同、疏松度不同的無土栽培基質(zhì)，調(diào)整方便、簡(jiǎn)捷，便于根據(jù)作物需求的不同，按檔次制訂統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)作；
（3）本發(fā)明的無土栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一方面疏松、規(guī)整，可充分實(shí)現(xiàn)水分、養(yǎng)料分子的吸收，另一方面，其吸收能力及微觀尺寸控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，在達(dá)到吸收飽和后，多余的水分會(huì)下滲流走，不會(huì)產(chǎn)生積水，這樣植物根系既能從基質(zhì)中吸收生長(zhǎng)所需水分，又不會(huì)因透氣性差而導(dǎo)致呼吸受阻，有效防止植物爛根，同時(shí)基質(zhì)中的水分容易向上蒸發(fā)，從而提高根部周圍的空氣濕度，這一點(diǎn)在干燥的季節(jié)和地區(qū)尤為重要；
（4）本發(fā)明的無土栽培基質(zhì)質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、吸附能力控制良好，可用于植物的水面栽培，其不僅可以吸附富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素供植物生長(zhǎng)，又不會(huì)產(chǎn)生因植物在水環(huán)境下自由吸收而導(dǎo)致的吸水過多，根系腐爛；
（5）本發(fā)明的無土栽培基質(zhì)在用作水面栽培時(shí)還可以吸附水中的重金屬元素，解決水體的污染問題，在用于室內(nèi)盆栽植物栽培時(shí)，還可以凈化空氣，吸附空氣中的甲醛等揮發(fā)性有機(jī)化合物；
（6）本發(fā)明的無土栽培基質(zhì)采用植物廢棄物為碳源，成本低廉，生態(tài)效益顯著，且制備過程便于工業(yè)化運(yùn)作；使用后的無土栽培基質(zhì)經(jīng)過破碎和再次復(fù)合，可循環(huán)利用；且在制備的過程中若采用不同的模具，可以得到不同形狀的無土栽培基質(zhì)；
（7）本發(fā)明制備的無土栽培基質(zhì)材料為惰性材料，理化性能優(yōu)良，不分解，疏松性、透氣性、保水性和保溫保濕性良好，基質(zhì)水分調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可以單獨(dú)作為栽培基質(zhì)或作為其他配方栽培基質(zhì)的輔料，適用于各類植物的栽培種植。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體描述，但本發(fā)明的技術(shù)方案并不局限于下述實(shí)施例的范圍。
實(shí)施例1
將油菜秸稈切碎至1厘米左右，烘干后在隔絕空氣的條件下加熱到450℃，并維持該溫度3h，得到顆粒狀生物炭；將100毫升模數(shù)為3.2的水玻璃稀釋于200毫升水中，攪拌30分鐘，攪拌過程中，加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之間，得到硅溶膠；將5克粒徑分布為0.2~0.5毫米的顆粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶膠進(jìn)行浸潤(rùn)，在溫度為30℃，濕度為60%的條件下養(yǎng)護(hù)10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去殘余的硝酸和生成硝酸鈉，晾干，即得到所述無土栽培基質(zhì)，得到的材料抗壓強(qiáng)度為500 kPa，體積密度為1.15 g/cm3。
實(shí)施例2
將新鮮的酒糟干燥，在隔絕空氣條件下加熱到500℃，持續(xù)3h，得到顆粒狀生物炭；將100毫升模數(shù)為3.0的水玻璃稀釋于200毫升水中，攪拌20分鐘，攪拌過程中，加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之間，得到硅溶膠；將5克粒徑分布為0.2~0.5毫米的顆粒生物炭加入模具中，以50毫升硅溶膠浸潤(rùn)，在溫度為40℃，濕度為60%的條件下養(yǎng)護(hù)7天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去殘余的硝酸和生成的硝酸鈉，晾干，即得所述無土栽培基質(zhì)，其抗壓強(qiáng)度為550 kPa，體積密度為1.22 g/cm3。
實(shí)施例3
將油菜秸稈切碎至1厘米左右，烘干，在隔絕空氣條件下加熱到300℃，持續(xù)4h，得到顆粒狀生物炭；將4毫升模數(shù)為3.5的水玻璃稀釋于30毫升水中，攪拌10分鐘；將5克粒徑分布為0.2~0.5毫米的顆粒生物炭加入模具中，以稀釋的水玻璃溶液浸潤(rùn)，其后加入稀硝酸，使混合液的pH值至5~6之間，在溫度為25℃，濕度為55%的條件下養(yǎng)護(hù)15天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去殘余的硝酸和生成硝酸鈉，晾干，即得到所述無土栽培基質(zhì)。
實(shí)施例4
將油菜秸稈切碎至1厘米左右，烘干，在隔絕空氣條件下加熱到600℃，持續(xù)2h，得到顆粒狀生物炭；將5克粒徑分布為0.2~0.5毫米的顆粒生物炭加入模具中，以4毫升濃度為25%的稀硝酸浸潤(rùn)；將4毫升模數(shù)為模數(shù)3.2的水玻璃稀釋于30毫升水中，攪拌10分鐘，加入到浸潤(rùn)過稀硝酸的生物炭中，在溫度為30℃，濕度為65%的條件下養(yǎng)護(hù)10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去殘余的硝酸和生成硝酸鈉，晾干，即得到所述無土栽培基質(zhì)。
實(shí)施例5
將油菜秸稈切碎至2厘米左右，烘干，在隔絕空氣條件下加熱到450℃，持續(xù)3h，得到顆粒狀生物炭；將100毫升模數(shù)為3.2的水玻璃稀釋于200毫升水中，攪拌30分鐘，攪拌過程中，加入氯化銨溶液，使混合液的pH值至5~6之間，得到硅溶膠；將5克粒徑為0.2~0.5毫米的顆粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶膠浸潤(rùn)，在溫度為30℃，濕度為60%的條件下養(yǎng)護(hù)10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去生成的鹽類，晾干，即所述無土栽培基質(zhì)。
實(shí)施例6
將小麥秸稈切碎至2厘米左右，烘干，在隔絕空氣條件下加熱到450℃，持續(xù)3h，得到顆粒狀生物炭；將100毫升模數(shù)為3.3的水玻璃稀釋于200毫升水中，攪拌30分鐘，攪拌過程中，加入氯化銨，使混合液的pH值至5~6之間，得到硅溶膠；將5克的顆粒生物炭加入模具中，以40毫升硅溶膠浸潤(rùn)，在溫度為30℃，濕度為60%的條件下養(yǎng)護(hù)10天，使混合物充分固化，干燥；用水浸泡洗滌混合物，洗去生成鹽類，晾干，即得到所述無土栽培基質(zhì)。
本發(fā)明是通過具體實(shí)施過程進(jìn)行說明的，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)行各種變換及等同代替，因此，本發(fā)明專利不局限于所公開的具體實(shí)施過程，而應(yīng)當(dāng)包括落入本發(fā)明專利權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方案。