一種提高土壤/水體中銨態(tài)氮吸附能力的生物炭改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高土壤/水體中銨態(tài)氮吸附能力的生物炭改性方法，屬于生物 炭改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀(jì)70年代以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的施用量迅速增加，在一些高產(chǎn)地區(qū) 尤甚。但從歷史變化來看，無論是氮肥、磷肥，還是鉀肥，我國(guó)主要作物的肥料利用率均呈逐 漸下降趨勢(shì)。我國(guó)氮肥利用率只有30%~35%，比發(fā)達(dá)國(guó)家的氮肥利用率低10~20個(gè)百分 點(diǎn)。這種氮素的流失不僅是農(nóng)民的一種經(jīng)濟(jì)擔(dān)憂，同時(shí)對(duì)地表水和地下水環(huán)境乃至海洋生 態(tài)系統(tǒng)均造成了一定程度的污染。因此，氮肥施用量大、氮素利用效率低一直是困擾我國(guó)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)的突出問題。如何加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮素管理，既保證氮肥施用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn) 作用，又保證農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)氮肥施用的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效 益的統(tǒng)一，一直是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，也是關(guān)乎現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的 重大問題。
[0003] 近年來，生物炭開始引起人們的關(guān)注。生物炭是將生物質(zhì)（如農(nóng)作物秸桿、林業(yè)廢 棄物等）或其衍生物在高溫厭氧的條件下熱解而制得的一種富碳有機(jī)物質(zhì)。生物炭施用 于土壤不僅能固碳增匯、改善土壤質(zhì)量、增加作物產(chǎn)量、降低有毒有害重金屬活性等，而且 在提高土壤氮利用效率，減少氮素流失方面也具顯著作用。生物炭其較大的比表面積和較 強(qiáng)的吸附能力，能通過提高土壤陽離子交換量和調(diào)節(jié)土壤PH值，提高土壤銨態(tài)氮的固持能 力，降低土壤氮的流失量。因此，生物炭被認(rèn)為是一種有效的土壤改良劑，被廣泛應(yīng)用于農(nóng) 業(yè)土壤中，以達(dá)到提高氮肥的利用率、減少氮素流失的目的。
[0004] 最新研宄表明，生物炭按一定方式施用于土壤中后，能通過改變土壤的pH值和土 壤電導(dǎo)率、陽離子交換量、植物的根際環(huán)境和土壤呼吸，從而影響土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附作 用。與其他的土壤有機(jī)質(zhì)一樣，生物炭本身并不具有陰離子交換能力，所以并不能吸附硝態(tài) 氮，但卻可以吸附銨態(tài)氮。這種吸附作用可以解釋為生物炭表面帶負(fù)電荷官能團(tuán)的靜電吸 附作用。通常情況下，新制備的原始生物炭對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力相對(duì)較低。因此，要想提高 土壤和水體中銨態(tài)氮的固持能力，降低銨態(tài)氮的流失，必需解決如何提高生物炭對(duì)銨態(tài)氮 的吸附能力這一關(guān)鍵科學(xué)問題。生物炭改性技術(shù)即是一條很有潛力的途徑。
[0005] 目前關(guān)于生物炭的研宄報(bào)道相對(duì)較多，但大部分研宄中所使用的生物炭采用的是 按傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，即未經(jīng)改性或修飾過的新制備的原始生物炭，這種原始生物炭制備過程 粗礦，原材料來源差異性較大，表面含氧官能團(tuán)和負(fù)電荷數(shù)量不高，對(duì)土壤中的陽離子吸附 能力較小，對(duì)土壤和水體中的銨態(tài)氮和其他陽離子固持能力相對(duì)有限。因此，需要對(duì)其進(jìn)行 改性處理，以此來提高其對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力。改性后的生物炭，其表面負(fù)電荷數(shù)量和含氧 官能團(tuán)顯著增加，陽離子交換量增強(qiáng)，大大提高了對(duì)銨態(tài)氮的固持作用。目前已有的生物炭 改性技術(shù)主要集中在對(duì)生物炭表面進(jìn)行化學(xué)官能團(tuán)的修飾，且主要應(yīng)用在重金屬（Cu、CcU Pb、Zn)的吸附和廢水治理上。而且這些改性技術(shù)存在工藝復(fù)雜、反應(yīng)過程繁瑣、成本較高、 可操作性不強(qiáng)等不足之處。理想的生物炭改性技術(shù)應(yīng)該是低成本、可操作性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單地 對(duì)生物炭進(jìn)行批量化改性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種提高土壤/水體中銨態(tài)氮吸附能力的生 物炭改性方法，具有方法操作簡(jiǎn)單，制造成本低廉，易于工業(yè)化生產(chǎn)，能有效提高生物炭在 土壤/水體中對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決目前氮肥施用過程中氮素流失嚴(yán) 重，氮肥利用效率低、水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題，以及現(xiàn)有改性技術(shù)工藝復(fù)雜、反應(yīng)過程繁瑣、成 本較高等問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種提高土壤/水體中銨態(tài)氮吸附能力的生物炭改性方法， 包括以下步驟： (1)將生物質(zhì)放入馬弗爐內(nèi)，采用氬氣吹掃的方式，在厭氧或缺氧的條件下裂解制取生 物炭；本步中采用氬氣吹掃能夠保證生物質(zhì)裂解所需的厭氧或缺氧環(huán)境。
[0008] (2)將生物炭放入研缽內(nèi)研磨后過篩；剛制備出的原始生物炭形狀大小不一，本步 驟中研磨是為了更好地過篩，使其均勻，這樣有助于提高后續(xù)步驟中的改性效果。
[0009] (3)將過篩后的生物炭與雙氧水混合后置于28°C-35°C的培養(yǎng)室中進(jìn)行改性 處理；此步中采用雙氧水進(jìn)行改性處理，由于雙氧水中只有H和O兩種元素，不會(huì)引入過多 的其他元素或者雜質(zhì)干擾；控制培養(yǎng)室的溫度主要是為了培養(yǎng)微生物的需要而設(shè)置，放置 在培養(yǎng)室中是為了避免溫度波動(dòng)過大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0010] (4)對(duì)改性后的生物炭進(jìn)行過濾去除雙氧水；由于雙氧水本身具有很強(qiáng)的氧化性， 在改性后對(duì)生物炭進(jìn)行沖洗去除雙氧水，可避免雙氧水在烘干過程中繼續(xù)對(duì)生物炭進(jìn)行氧 化，以及對(duì)后續(xù)調(diào)節(jié)PH值時(shí)的結(jié)果影響。
[0011] (5)用去離子水對(duì)生物炭進(jìn)行沖洗； (6) 調(diào)節(jié)生物炭的pH值至中性； (7) 對(duì)生物炭進(jìn)行過濾、烘干處理即可。烘干后能夠方便進(jìn)行儲(chǔ)存，以及為后續(xù)的吸附 實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。
[0012] 前述生物質(zhì)在馬弗爐內(nèi)的裂解條件為：馬弗爐內(nèi)的升溫梯度為2. 5°CmirT1，在 裂解溫度達(dá)到500°C后停留30min。經(jīng)發(fā)明人實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此條件下制備的生物炭其 吸附性能最佳。因?yàn)樵跍囟冗^低時(shí)，生物質(zhì)不能徹底碳化，而當(dāng)溫度過高時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致生物 炭高度芳香化。同時(shí)對(duì)生物炭的產(chǎn)率、比表面積、PH等物理化學(xué)參數(shù)也有影響。
[0013]前述氬氣吹掃速率為ILHiirT1。
[0014]前述篩的孔徑為149-850ym;本發(fā)明中選擇這一孔徑范圍的目的是在保證顆粒 尺寸較為均勻的同時(shí)，能夠最大化地提高生物炭的回收產(chǎn)率。
[0015]前述步驟（3)中生物炭置于培養(yǎng)室中的時(shí)間為350h或2周以上，便于生物炭與 雙氧水進(jìn)行徹底反應(yīng)。
[0016]前述步驟（3)中生物炭與雙氧水的固液比為I:10(w:v)，此固液比能夠使生物炭 在雙氧水中被充分改性，兼顧了改性效果與節(jié)約材料成本的平衡。前述雙氧水濃度為30%。
[0017]前述步驟（4)中采用Whatman1號(hào)定性濾紙和布氏漏斗對(duì)改性生物炭進(jìn)行過濾處 理，該種方式便于進(jìn)行過濾處理。
[0018] 前述采用Imol的鹽酸和Imol的氫氧化鈉對(duì)生物炭pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，過高或者過低 的鹽酸或氫氧化鈉濃度會(huì)導(dǎo)致生物炭的pH調(diào)節(jié)波