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一种高活性改性生物炭及其制备方法和土壤改良剂

花匠小妙招
2025-08-16 02:52

本发明涉及生物炭领域，具体涉及一种高活性改性生物炭及其制备方法和土壤改良剂。

背景技术：

1、随着我国农业生产的发展，废弃秸秆的处理和利用逐渐成为了研究热点，其中，最常见的废弃秸秆的处理方式为还田利用，具体为：将秸秆破碎后直接或处理后再与土壤混合，改善土地的土壤环境。经过研究证实，秸秆在无氧环境下炭化后，会转化为生物炭，秸秆生物炭一般可用作肥料或活性炭等领域，该过程中既解决了废弃秸秆的处理，又再生得到了应用范围较广的生物炭。

2、生物炭是一种由植物燃烧而成的碳质材料，具有高孔隙率、多孔性、低密度等特点，能帮助植物生长，可应用于农业用途以及碳收集及储存使用。生物炭具有高度孔隙度和比表面积，这使得它具有优异的吸附能力，还可以改善土壤的通透性和润湿性，促进土壤团聚结构的稳定，增加土壤孔隙度，同时，生物炭中含有丰富的腐殖质和有机酸，这些物质可以中和土壤中的碱性物质，降低土壤的ph值，从而改善盐碱地的酸碱度。因此，将生物炭用作土壤的改良剂成为了改良土壤的一种手段。

3、cn105960875b公开了一种利用生物炭垫层改良沿海滩涂盐碱地土壤的方法，包括：规划改良单元和改良小区，开挖改良小区表层土壤至40-50cm，铺设10-20cm厚度的生物炭垫层，回填表土，自然降雨或淋洗排盐3-5次。本发明方法简便、改良周期短、效果稳定、无二次污染。在有效改良盐碱地土壤的同时，生物炭垫层使用还能同时有效控制农业面源污染，促进盐碱地土壤改良及农业生态的良性发展。

4、生物炭对土壤的改善虽得到了证实，但相对于传统的肥料，生物炭中的养分含量通常较低，单独使用时无法为植物提供足够的营养，且生物炭的ph值通常呈碱性，这可能会改变土壤的酸碱度，加重土壤的碱化，因此，需要对生物炭进行改性，使其能够适应盐碱地的生态环境，最大程度上改善土壤的盐碱性。

5、cn114891512a公开了一种盐碱地改良负载氯化钙改性生物炭复合材料及其制备方法，包括以下步骤：1)收集植物性原材料，用去离子水润洗后完全烘干，然后在450℃下限氧裂解1h，冷却后用粉碎机将生物炭粉碎过筛，得到原始生物炭；将原始生物炭与浓度为0.5mol/l的氯化钙溶液按固液比1：15(g:ml)混合；之后在恒温振荡器下充分搅拌，滤出用超纯水洗至洗液ph，电导率稳定；3)在一定温度下完全干燥后，在200℃下限氧裂解1h，所得产物标记为生物炭负载氯化钙改性生物炭复合材料。

6、综上所述，由废弃秸秆等植物材料制备的生物炭对土壤的改善在一次次的实验过程中得到了证实，但因生物炭本身并不具有养分，且生物炭的碱性和钠盐的含量较高，因此单独使用时仍无法达到最优异的土壤改良效果，因此，需要对生物炭进行改性，而改性后的生物炭在土壤的改良过程中失效快，无法长期作用，且对土壤的改良效果较差，仍是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明一种高活性改性生物炭及其制备方法和土壤改良剂，本发明首先将废弃秸秆炭化制备生物炭，再对生物炭酸化，提高了其表面的含氧基团，再通过对生物炭与营养液共同水热后，最后与氮源和磷源共同进行煅烧，制备了高活性的生物炭，提高了生物炭的孔隙率和活性位点，并将营养液中的金属氧化物以及氮磷元素负载到生物炭中，提高了生物炭的附带养分，同时因生物炭的孔隙率高，因此，在所述高活性改性生物炭与土壤混合后能够持续对土壤进行改善。

2、本发明提供一种高活性改性生物炭，所述高活性改性生物炭由废弃秸秆在无氧环境下炭化制备生物炭后，再用稀酸溶液将生物炭酸化，后与金属营养液共同进行水热反应，水热后再与氮源和磷源共同煅烧制备得到；所述高活性改性生物炭的孔隙率为60-95%，比表面积为1800-2500m2/g；所述金属营养液中包括磷酸锌、硫酸铁和有机溶剂。

3、进一步地，所述生物炭与所述稀酸溶液的质量体积比为（1：1）-（1：2），其中，质量的单位为g，体积的单位为ml。

4、进一步地，所述生物炭的粒径为40-100目，比表面积为200-1000m2/g。

5、进一步地，所述稀酸溶液为稀磷酸溶液，所述稀磷酸溶液的浓度为0.1-1mol/ml。

6、进一步地，所述生物炭与所述金属营养液中所述磷酸锌和所述硫酸铁的摩尔比为1：（0.005-0.01）：（0.002-0.004）。

7、进一步地，所述磷酸锌和所述硫酸铁的总质量与所述有机溶剂的质量体积比为（1：50）-（1：100），其中，质量的单位为g，体积的单位为ml。

8、进一步地，所述生物炭与氮源、磷源的质量比为1：（0.3-1）：（0.3-1）。

9、进一步地，所述氮源为尿素、硫酸铵和硝酸铵中的一种或几种。

10、进一步地，所述磷源为磷酸二氢钾和过磷酸铵中的一种或几种。

11、本发明还提供一种所述高活性改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1、将废弃秸秆破碎后，用去离子水冲洗掉杂质后，放入干燥箱干燥，干燥后置于炭化炉中进行炭化，将炭化后的产物研磨，得到生物炭；

13、步骤2、将所述生物炭加入到稀酸溶液中搅拌进行酸化，过滤掉酸化后的稀酸溶液，得到湿固态的酸化生物炭；

14、步骤3、将所述酸化生物炭与金属营养液搅拌均匀后加入到反应釜中，进行水热反应，冷却后将水热后的混合物过滤后干燥，得到粉状的负载生物炭；

15、步骤4、将所述负载生物炭与氮源和磷源搅拌混合，放入反应炉中煅烧，得到所述高活性改性生物炭。

16、进一步地，所述步骤1中所述干燥的温度为100-200℃，所述干燥的时间为1-3h，

17、进一步地，所述步骤1中所述炭化的温度为600-900℃，所述炭化的时间为2-5h。

18、进一步地，所述步骤1中所述研磨的粒径为40-100目。

19、进一步地，所述步骤2中所述生物炭与所述稀酸溶液的质量体积比为（1：1）-（1：2），其中，质量的单位为g，体积的单位为ml。

20、进一步地，所述步骤2中所述生物炭的比表面积为200-1000m2/g。

21、进一步地，所述步骤2中所述稀酸溶液为稀磷酸溶液，所述稀磷酸溶液的浓度为0.1-1mol/ml。

22、进一步地，所述步骤2中所述搅拌的速度为100-300r/min，酸化的温度为300-500℃，酸化的时间为30-60min。

23、进一步地，所述步骤3中所述金属营养液包括磷酸锌、硫酸铁和有机溶剂。

24、进一步地，所述磷酸锌和所述硫酸铁的总质量与所述有机溶剂的质量体积比为（1：50）-（1：100），其中，质量的单位为g，体积的单位为ml。

25、进一步地，所述磷酸锌和所述硫酸铁与所述生物炭的摩尔比为（0.005-0.01）：（0.002-0.004）：1。

26、进一步地，所述有机溶剂为无水乙醇、甲醇、丙醇中的一种或几种。

27、进一步地，所述步骤3中所述搅拌的速度为100-300r/min，搅拌的时间为5-20min。

28、进一步地，所述步骤3中所述水热反应的温度为260-370℃，所述水热反应的时间为2-3h。

29、进一步地，所述步骤3中所述干燥的温度为80-200℃，干燥的时间为2-3h。

30、进一步地，所述步骤4中所述氮源、所述磷源和所述生物炭的质量比为（0.3-1）：（0.3-1）：1。

31、进一步地，所述步骤4中所述氮源为尿素、硫酸铵和硝酸铵中的一种或几种。

32、进一步地，所述步骤4中所述磷源为磷酸二氢钾和过磷酸铵中的一种或几种。

33、进一步地，所述步骤4中所述搅拌的速度为20-50r/min，所述搅拌的时间为2-10min。

34、进一步地，所述步骤4中所述煅烧的起始温度为20-25℃，升温速率为1-3℃/min，所述煅烧的温度为400-700℃，所述煅烧的保持时间为1-3h，所述煅烧的退火速度为1-3℃/min，所述煅烧的终止温度为20-25℃。

35、本发明还提供一种土壤改良剂，所述土壤改良剂为所述高活性改性生物炭，所述土壤改良剂作用于盐碱地土壤，

36、在90天改良后的盐碱地土壤的ph值为9.1-9.8，电导率na+的含量为0.2-0.4%，有效磷含量为5-30mg/kg，有效氮含量为5-30mg/kg，zn2+的含量为20-60mg/kg，fe2+的含量为20-60mg/kg；

37、在180天改良后的盐碱地土壤的ph值为8.5-9.5，na+的含量为0.1-0.3%，有效磷含量为5-30mg/kg，有效氮含量为5-25mg/kg，zn2+的含量为40-70mg/kg，fe2+的含量为40-70mg/kg；

38、在300天改良后的盐碱地土壤的ph值为7.9-8.9，na+的含量为0.1-0.15%，有效磷含量为2-20mg/kg，有效氮含量为2-20mg/kg，zn2+的含量为20-40mg/kg，fe2+的含量为20-40mg/kg。

39、进一步地，所述土壤改良剂改良所述盐碱地土壤的方法为：将所述土壤改良剂掩埋进距离所述盐碱地土壤表层20cm处，再对掩埋所述土壤改良剂后的盐碱地土壤进行深耕，以此对盐碱地土壤进行改良，所述土壤改良剂的掩埋量为200-300g/m2。

40、本发明的有益效果：

41、1、本发明首先将废弃秸秆炭化制备得到生物炭，再通过对生物炭进行酸化，增加生物炭表面的含氧基团，再将酸化后的生物炭与金属营养液共同水热，金属营养液中包含磷酸锌和硫酸铁，在水热过程中磷酸锌与硫酸铁生长在酸化后的生物炭上，水热后再将生物炭与氮源和磷源共同煅烧，对生物炭进行氮和磷掺杂，并在煅烧过程中提高了生物炭的孔隙率和比表面积，当所述高活性改性生物炭，在作用于盐碱地时其表面的含氧基团，能够促进盐碱地土壤团粒结构的形成，并‌增加高活性改性生物炭对盐碱地土壤中盐分离子的吸附，‌改变土壤微生物的功能结构，‌并增强作物应对外界胁迫的能力，同时解决了废弃秸秆的再生利用；

42、2、本发明中的高活性改性生物炭中生长的磷酸锌和硫酸铁在盐碱地土壤中，可以通过锌离子zn2+和fe3+对盐碱地土壤中的钠离子na+进行置换，以此降低盐碱地土壤中的盐度，同时所述高活性改性生物炭还经过煅烧后，在生物炭上负载了氮和磷元素，这在改良盐碱地土壤中为土壤提供了其所需要的氮、磷及金属元素，为土壤中的植物提供养分，促进植物生长；

43、3、本发明中所述高活性改性生物炭的多孔结构将水热过程中生长的金属以及煅烧时掺杂的氮、磷等元素稳定的负载在生物炭的空隙中，以此提高了所述高活性改性生物炭的作用时间，保证了所述高活性改性生物炭在长时间的使用过程中不会快速失效。