一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法及其應用技術

本發明專利技術公開了一種緩解稻田氨揮發排放的水熱生物炭的制備方法及其應用，其中制備方法包括：制備水熱炭的原始材料：將土生農作物和/或水生植物進行破碎，制備原始材料和溶劑的混合材料：將原始材料與溶劑混合得到混合材料；制備水熱生物炭：將混合材料置于水熱反應釜中，進行升溫熱解，再冷卻至常溫，最后將制備的炭基材料取出，瀝水干燥、再自然晾干并陳化，得到水熱生物炭；將水熱生物炭與檸檬酸溶液混合，在一定條件下進行酯化反應，得到最終產品；該產品用于稻田中控制氨揮發。本發明專利技術在水稻稻田中，按照本發明專利技術提供的施加方法施加改良水熱生物炭，能夠減緩稻田氨揮發，增加土壤炭庫，提高生物質資源的利用率，合理的使用量還可以增加水稻產量。

Method for preparing improved hydrothermal biological carbon for relieving paddy field ammonia volatilization emission and application thereof

The invention discloses a preparation and application method for relieving volatilization of ammonia emission from paddy field hydrothermal biological carbon, its preparation method includes the following steps: raw material preparation of hydrothermal carbon: native crops and / or aquatic plants were broken, mixed material preparation of raw material and solvent: raw material and solvent mixing the mixed material; preparation of hydrothermal biological carbon mixing material in the hydrothermal reaction kettle, the temperature of pyrolysis, and then cooling to room temperature, finally will remove the carbon based material preparation, drying, drying and draining natural aging, thermal water biological activated carbon; hydrothermal biological carbon mixed with the esterification of citric acid solution, under certain conditions, the final product; the product is used for the control of ammonia volatilization in paddy field. The present invention in rice paddy field, according to the invention provides a method of applying modified hydrothermal applied biological activated carbon, can reduce ammonia volatilization, increase soil carbon, improve the rate of utilization of biomass resources, reasonable usage can also increase the yield of rice.

【技術實現步驟摘要】
一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法及其應用
本專利技術屬于水熱生物炭緩解氨揮發
，特別涉及一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法及其應用。
技術介紹
氨氣是生態系統氮循環的重要成分，也是大氣污染物之一。土壤氨揮發是農田氮素損失的重要途徑之一，這不僅降低了氮肥利用率而且揮發釋放的氨氣還會對環境造成污染。全世界施入土壤的氮肥中1%-47%以土壤氨揮發的形式進入大氣。我國是世界上最大的產稻國，水稻土的面積達2.53×107hm2，占世界水稻土面積的23%，占我國糧食耕地面積的29%。但我國稻田中氮肥的利用率只有30%-35%，損失高達50%以上。氮肥利用率低不僅直接影響農業生產效益；同時也造成土壤、水和大氣環境的污染，對人類賴以生存的環境造成危害。因此，研究氨揮發損失途徑和機理，并探索控制氨揮發的施肥和農田管理措施，對于節約養分資源、提高農民種糧經濟效益和保護生態環境均具有重要的現實意義。減少氨揮發的方法包括改進施肥技術、施用新型肥料、添加土壤改良劑等。其中生物炭作為一種土壤改良劑受到廣泛關注并迅速升溫成為當前研究的熱點。特別是近年來，在氣候變化、環境污染、能源短缺、糧食危機和農業可持續發展等宏觀背景下，生物炭的潛在應用價值和應用空間被進一步拓展。目前研究較為廣泛的是常規熱解生物炭（pyro-char）。常規熱解生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧或無氧條件下高溫裂解形成的穩定的富碳產物。它具有良好的吸附性能，其吸附能力受原材料和制備溫度的影響顯著。常規熱解生物炭除了直接吸附NH4+/NH3，降低N的損失提高利用率外，生物炭加入土壤中還能夠促進土壤中NH4+向NO3--N轉化，促進土壤N的轉化提高了N的生物有效性。然而，常規熱解生物炭多少制備條件下均呈堿性，雖然生物炭較強的吸附能力會滯留一部分的銨根，但是土壤酸堿條件的變化，會促進銨根向氨氣的轉化，進而導致氨揮發損失的增加。因此，從控制稻田氨揮發的角度，施加常規熱解生物炭往往不是理想的技術措施。水熱炭化作為一種新型的生物質炭化技術，由于不受物料含水率的制約、制備過程簡單、反應條件溫和、生物炭產量較高且具有官能團豐富等優點被認為是高含水率生物質制備生物炭較為理想的方法。水熱炭化法（HTC）與傳統的熱化學轉化方法相比，HTC溫度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2釋放量少，保留了大量廢棄生物質中的氧、氮元素，水熱炭化物表面具有豐富的含氧官能團，因而親水性及金屬吸附性強。水熱生物炭炭產率較高，進而產生較高的總能量，但炭化率較低，芳香結構較少且生物穩定性差。因此，通過水熱炭化技術利用農林廢棄物生產生物炭，對于緩解資源浪費和解決環境污染等問題有著巨大的潛力。因為特殊的生成條件所導致的獨特的物理化學結構，水熱炭在吸附、制備多孔炭、催化劑載體和清潔能源等領域展現出了良好的應用前景。需要注意的是，水熱炭化技術制備的生物炭（HTC），若施加不當，可能會造成負面效果，特別是其含有的較多有機酸和酚類物質，在較高施加量條件下可能對植物生長造成不利影響。此外，水熱炭比表面積偏小，需要經過一定的預處理過程提高比表面積和對養分特別是銨根的吸附能力。因此，針對水熱炭這類生物質炭材料，有必要通過一定的改良，并通過限定其制備條件、施加方式、施加時間等，實現環境效益和經濟效益的最大化。基于水熱炭的優良特性和潛在不利影響，本專利技術著眼于控制稻田氨揮發排放，同時避免其負面作用，提出了一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭及其應用，為我國稻田面源污染控制、大氣質量的改善、化肥利用效率的提高提供一種低成本的、綠色友好的解決方案。
技術實現思路
為了解決現有技術中的問題，本專利技術提供一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法及其應用，能夠減緩稻田氨揮發，增加土壤炭庫，提高生物質資源的利用率，合理的使用量可以增加水稻產量。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法，包括以下步驟：步驟（1）、制備水熱炭的原始材料：將土生農作物和/或水生植物進行破碎，步驟（2）、制備原始材料和溶劑的混合材料：將原始材料與溶劑混合得到混合材料；步驟（3）、制備水熱生物炭：將混合材料置于水熱反應釜中，設定最高溫度為180-260℃，水熱反應釜內為密閉環境，且在缺氧的條件下進行升溫并熱解，升溫速率為1-10℃/min，反應釜內壓力保持為4-10MP，溫度上升至設定的最高溫度后保持該溫度反應0.5-10h，隨后關閉反應釜，打開放氣閥，排出氣體并冷卻至常溫，最后將制備的炭基材料取出，瀝水干燥后得到原始水熱生物炭；為了減少原始水熱炭豐富的有機酸和有機酚可能對作物生長帶來的負面影響，將制得的原始水熱炭在自然狀態下放置1-4周，進行陳化；步驟（4）、制備改良的水熱生物炭；將陳化后的水熱生物炭與檸檬酸溶液按照物料比為1:2-1:10（w/v）充分混合，置于容器中浸漬1-2h，然后升溫至70℃保持1-2h，繼續升溫至120℃保持3-12h，冷卻至常溫；將反應結束后的固體物質取出，去離子水洗滌2-3次，晾干，得到改良的水熱生物炭。所述水熱生物炭與檸檬酸溶液按照物料比為1:2-1:10（w/v），為兩者之間的質量體積比，即1kg水熱生物炭對應2-10L檸檬酸溶液。進一步的，所述步驟（1）中，原始材料為廢棄的土生農作物和/或水生植物殘體、林業副產物，其中土生農作物為玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈中的一種或多種；所述水生植物為水葫蘆、黑麥草、水花生、水芹中的一種或多種；所述林業副產物為鋸末、樹木殘體中的一種或多種。進一步的，所述步驟（1）中，土生農作物和水生植物破碎為長度0.1-2cm的碎塊。進一步的，所述步驟（2）中，溶劑為水，原始材料和溶劑的固液比為1:5-1:10，即每1kg原始材料對應的水的體積為5-10L。進一步的，所述步驟（3）中，炭基材料瀝水后，烘干或晾干得到原始水熱生物炭。進一步的，所述步驟（4）中檸檬酸溶液濃度為0.4-0.7mol/L，制得改良的水熱生物炭pH為3-6，改良的水熱生物炭比表面積為10-100m2/g。一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的應用，改良的水熱生物炭作為土壤改良劑，施加于水稻稻田中，控制稻田氨揮發。進一步的，改良的水熱生物炭的施加方法為表層混施，將改良的生物炭與稻田表層2-20cm的水稻土混合。進一步的，改良的水熱生物炭的施加時間為基肥前1-10d或與其它基肥混合后一起施加。進一步的，改良的水熱生物炭的施加量為0.1%-3%（w/w），即每1kg表土中施加改良的水熱生物炭的量為1-30g。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：在水稻稻田中，按照本專利技術提供的施加方法施加水熱生物炭，能夠減緩稻田氨揮發，增加土壤炭庫，提高生物質資源的利用率，合理的使用量還可以增加水稻產量。附圖說明圖1是試驗例中基肥期氨揮發通量；圖2是試驗例中分蘗肥期氨揮發通量；圖3是試驗例中穗肥期氨揮發通量；圖4是試驗例中三個肥期不同處理氨揮發通量。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術作更進一步的說明。實施例1一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法，包括以下步驟：步驟（1）、制備水熱炭的原始材料：將小麥秸稈、水稻秸稈、水花生、水芹破碎為長度0.1-2cm的碎本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟（1）、制備水熱炭的原始材料：將土生農作物和/或水生植物進行破碎，步驟（2）、制備原始材料和溶劑的混合材料：將原始材料與溶劑混合得到混合材料；步驟（3）、制備水熱生物炭：將混合材料置于水熱反應釜中，設定最高溫度為180?260℃，水熱反應釜內為密閉環境，且在缺氧的條件下進行升溫并熱解，升溫速率為1?10℃/min，反應釜內壓力保持為4?10MP，溫度上升至設定的最高溫度后保持該溫度反應0.5?10h，隨后關閉反應釜，打開放氣閥，排出氣體并冷卻至常溫，最后將制備的炭基材料取出，瀝水干燥后得到原始水熱生物炭；將制得的原始水熱炭在自然狀態下放置1?4周，進行陳化；步驟（4）、制備改良的水熱生物炭；將陳化后的水熱生物炭與檸檬酸溶液按照物料比為1:2?1:10?（w/v）充分混合，置于容器中浸漬1?2h，然后升溫至70℃保持1?2h，繼續升溫至120℃保持3?12h，冷卻至常溫；將反應結束后的固體物質取出，去離子水洗滌2?3次，晾干，得到改良的水熱生物炭。

【技術特征摘要】
1.一種緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟（1）、制備水熱炭的原始材料：將土生農作物和/或水生植物進行破碎，步驟（2）、制備原始材料和溶劑的混合材料：將原始材料與溶劑混合得到混合材料；步驟（3）、制備水熱生物炭：將混合材料置于水熱反應釜中，設定最高溫度為180-260℃，水熱反應釜內為密閉環境，且在缺氧的條件下進行升溫并熱解，升溫速率為1-10℃/min，反應釜內壓力保持為4-10MP，溫度上升至設定的最高溫度后保持該溫度反應0.5-10h，隨后關閉反應釜，打開放氣閥，排出氣體并冷卻至常溫，最后將制備的炭基材料取出，瀝水干燥后得到原始水熱生物炭；將制得的原始水熱炭在自然狀態下放置1-4周，進行陳化；步驟（4）、制備改良的水熱生物炭；將陳化后的水熱生物炭與檸檬酸溶液按照物料比為1:2-1:10（w/v）充分混合，置于容器中浸漬1-2h，然后升溫至70℃保持1-2h，繼續升溫至120℃保持3-12h，冷卻至常溫；將反應結束后的固體物質取出，去離子水洗滌2-3次，晾干，得到改良的水熱生物炭。2.根據權利要求1所述的緩解稻田氨揮發排放的改良水熱生物炭的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中，原始材料為廢棄的土生農作物和/或水生植物殘體、林業副產物，其中土生農作物為玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈中的一種或多種；所述水生植物為水葫蘆、黑麥草、水花生、水芹中的一種或多種；所述林業副產物為鋸末、樹木殘體中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王悅滿，馮彥房，薛利紅，陳玉東，楊林章，劉楊，劉雅文，
申請(專利權)人：江蘇省農業科學院，
類型：發明
國別省市：江蘇,32