利用生物炭进行土壤改良的方法
技术领域
本发明涉及生物炭制备技术领域。具体地说是利用生物炭进行土壤改良的方法。
背景技术
在现有技术中，利用秸秆制备生物炭用于土壤改良已经取得了很多研究成果，例如，秸秆生物炭在对重金属污染的土壤进行改良时取得了一定的积极效果。但是，秸秆生物炭用于土壤改良时也存在一些缺点，比如：在对土壤进行改良时，会降低土壤吸附砷的能力，施用量越大，土壤吸附砷的能力越弱，这样可能会导致砷更容易被生物吸收利用;此外，目前在制备秸秆生物炭的时候，热解温度通常在500℃左右，产生的热解气量很大、回收利用困难，而秸秆制备生物炭的产率很低，不利于在广大农村地区推广应用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于生物炭产率高、热解耗能少、热解产气量少，且所制备的生物炭能够提高土壤吸附砷的能力的利用生物炭进行土壤改良的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
利用生物炭进行土壤改良的方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉碎后晒干;
(2)碱液浸泡;
(3)将碱液浸泡后的秸秆晒干备用;
(4)硅烷偶联剂溶液浸泡;
(5)将硅烷偶联剂溶液浸泡后的秸秆粉末晒干后进行热解;
(6)热解所得生物炭冷却至室温后掺杂在待改良土壤中。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(1)中：将秸秆用粉碎机粉碎后过100目筛。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(1)中：秸秆为玉米秸秆和小麦秸秆与水稻秸秆的混合物。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(2)中：碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钙悬浊液，浸泡温度为20-35℃，浸泡时间为24-48h。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(2)中：氢氧化钠溶液的浓度为0.5-2g/kg，氢氧化钙悬浊液的浓度为3-10g/kg。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(4)中：硅烷偶联剂为KH550或KH560。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(4)中：硅烷偶联剂浓度为0.5-1wt%。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(5)中：热解时间30min-2h。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(5)中：热解温度为230℃-250℃。
上述利用生物炭进行土壤改良的方法，在步骤(1)和步骤(3)中：晒干至秸秆粉末含水率小于或等于5wt%;在步骤(5)中：将硅烷偶联剂溶液浸泡后的秸秆粉末晒干至含水率为10-15wt%;在步骤(6)中：生物炭在土壤中的掺杂量为1-20%。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、由于半纤维素热解温度为200-250℃，纤维素热解温度为230-350℃，木质素在270℃以上热解。本发明中选择的热解温度大于230℃、小于250℃，确保半纤维素热解比较充分、纤维素部分热解、木质素不热解，生物炭的产率较高，未热解的纤维素和木质素可以在土壤中降解利用，增加土壤肥力。热解初期主要是水蒸气，回收处理较为容易;而且木质素基本在此条件下不热解，纤维素仅有部分热解，因而真正的生物质热解气体较少，后续回收处理也较为容易，适宜推广应用。
2、本发明不仅降低了热解温度、减少热解耗能以及提高生物炭的产量，而且有利于生物炭形成多孔的结构，增大吸附活性位点以及与土壤牢固结合的位点。
3、本发明由于秸秆用硅烷偶联剂溶液浸泡之后,晾晒至含水率为10-15wt%即开始进行热解，热解初期相当于热解的同时发生了水热反应，水稻秸秆属于含硅量较高的秸秆，一部分新生活性二氧化硅与氢氧化钙、氧化钙以及秸秆中的其他金属离子生成硅酸盐，提高生物炭与土壤相容性，使得生物炭与土壤之间的结合力更强，从而使得生物炭与土壤混合之后能够形成吸附能力更强复合体，协同增强土壤吸附砷能力的目的;另一部分新生活性二氧化硅与纤维素结合形成稳定性更好的纤维素-二氧化硅复合材料，进一步增强生物炭与土壤的微结合力，提高土壤吸附砷的能力。
具体实施方式
利用生物炭进行土壤改良的方法，包括如下步骤：
(1)秸秆粉碎后晒干：将秸秆用粉碎机粉碎后过100目筛;秸秆为小麦秸秆与水稻秸秆的混合物，其中秸秆中小麦秸秆质量分数为70-85wt%;晒干至秸秆粉末含水率小于或等于5wt%。
本实施例所用秸秆组成中小麦秸秆的质量分数为70-85wt%，而水稻秸秆的用量较少;氢氧化钙悬浊液能够选择性降解较多的小麦秸秆中的木质素，而纤维素和半纤维素降解比例较低;还能够破坏木质素、纤维素和半纤维素之间的联键结构，使得木质纤维素大分子屏障作用被解除，最终制得的生物炭疏松度和多孔性增强，不仅有利于纤维素快速降解供植物生长需要以及有利于土壤中微生物转化利用，而且有利于热解过程生成的活性二氧化硅与纤维素之间形成稳定的复合材料。用氢氧化钙悬浊液预处理水稻秸秆，可以实现水稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素相对同步降解，充分解除水稻秸秆中有机硅和无机硅反应保护屏障，有利于水稻秸秆在热解过程中生成较多的活性二氧化硅。
(2)碱液浸泡：碱液为浓度为5g/kg的氢氧化钙悬浊液，浸泡温度为25℃，浸泡时间为24h。
(3)将碱液浸泡后的秸秆晒干备用，晒干至秸秆粉末含水率小于或等于5wt%。
(4)硅烷偶联剂溶液浸泡：硅烷偶联剂为KH550，浓度为1wt%。
(5)将硅烷偶联剂溶液浸泡后的秸秆粉末晒干至含水率为10-15wt%后进行热解：热解时间为2h;热解温度为250℃。水稻秸秆生成二氧化硅，一部分新生活性二氧化硅与氢氧化钙、氧化钙以及秸秆中的其他金属离子生成硅酸盐;硅烷偶联剂在热解过程中脱水并与硅酸盐形成共价键连接，硅烷偶联剂中未反应的-OH呈游离状态，可以与土壤形成较强的氢键，进一步增强生物炭与土壤的结合力。
(6)以某地土壤为例，其对As(Ⅴ)的最大吸附量为135.2mg/kg，在土壤中掺杂15wt%的小麦秸秆生物炭之后，其对As(Ⅴ)最大吸附量降低到110.3mg/kg。而在土壤中掺杂15wt%本实施例制备的生物炭，对As(Ⅴ)最大吸附量为215.6mg/kg。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
