一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于土壤修复相关技术领域，公开了一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法和应用。制备方法具体为：将生物质破碎筛分后与棕榈壳灰混合，加入液体后充分搅拌浸渍，通过固液分离制得固态前驱体；将固态前驱体置于无氧条件下热解，获得用于土壤修复的生物炭材料。本发明专利技术制备的生物炭材料一方面对重金属污染土壤钝化效果显著，可有效避免了土壤中的重金属离子进入食物链污染环境；另一方面可作为缓释复合肥料为农作物提供生长所需元素；因制作成本低、制备方法简单易于大规模商业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法和应用
本专利技术属于土壤修复相关
，更具体地，涉及一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法和应用。
技术介绍
我国作为农业废弃物产出量最大的国家，如何对农业废弃物进行资源化高效综合利用是促进资源、能源梯级利用，实现循环农业发展过程中亟需解决的问题。同时，随着非可再生能源危机的加剧，生物质发电技术在我国得到大力推广，而生物质发电厂燃烧后产生的生物质灰渣如不进行有效利用，不仅会污染环境还会造成极大的资源浪费。生物炭作为生物质热解产物之一，具有发达的孔隙结构以及丰富的含氧官能团，因此可作为一种新型、绿色、经济的材料应用于土壤修复领域中。目前，为提升生物炭的修复效果，主要采用在生物炭表面嫁接特定基团的方法对其进行改性，制得的改性生物炭不仅具有较高的物理吸附性，并且对目标重金属离子具有显著的钝化效果。而生物质灰渣具有强碱性，并且含有丰富的矿质营养元素如钾、磷、钙、镁、硅等，因此是制备酸性土壤改良剂和复混肥的优质原料。含磷材料常用于重金属离子污染的修复，CN201510194890.9公开了一种改性生物炭原位固定钒矿污染土壤的方法，其中利用磷酸氢钙-硝酸对生物炭进行改性。但是该方法的改性过程工艺复杂，采用化学药品因此改性成本较高并且容易产生二次污染，此外该方法制备的生物炭不能提供丰富的矿质营养元素，不能作为复混肥施用到土壤中。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷，本专利技术提供了一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法和应用，通过使用棕榈壳灰作为改性剂，对生物质原料进行改性和热解处理后，使得生物炭表面吸附有大量含磷官能团和K元素，从而制得具有重金属钝化作用和缓释肥作用的生物炭材料，不仅实现了生物质资源的高附加值再利用，并且制备简单，制作成本较低，易于大规模生产。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种用于土壤修复的生物炭材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(a)原料预处理：将生物质原料清洗干净后烘干，经粉碎机破碎后利用筛网进行筛分，将得到的生物质颗粒储存备用；(b)固态前驱体制备：将步骤(a)中制备的所述生物质颗粒与棕榈壳灰以质量比1：2～1：6的比例混合后加入液体获得固液混合物，将该固液混合物移入已预热的搅拌器中，在温度60℃～90℃的条件下充分搅拌后浸渍2h～12h，然后对该固液混合物进行分离，将滤液回收待循环利用，将过滤得到的滤渣冲洗后烘干制得所述固态前驱体；(c)热解制备生物炭材料：将所述固态前驱体在无氧条件下以5℃/min～10℃/min的升温速率加热到350℃～650℃进行热解，保温0.5h～2h后冷却至室温取出，获得所述用于土壤修复的生物炭材料。作为进一步优选地，所述生物质原料为农林废弃物、藻类、污泥、生活垃圾中的一种或多种。作为进一步优选地，所述筛网优选为10目～120目。作为进一步优选地，所述液体优选为蒸馏水或滤液。作为进一步优选地，所述无氧条件为隔绝空气或通入惰性保护气体。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种利用上述方法制得的用于土壤修复的生物炭材料。按照本专利技术的再一个方面，提出了一种利用上述制备的生物炭材料修复重金属污染土壤的方法，包括如下步骤：(i)通过旋耕或犁耙的方式对重金属污染土壤进行翻土，按照50kg/亩～500kg/亩的施用量将所述生物炭材料加入到该重金属污染土壤中；(ii)覆土将所述生物炭材料完全填埋，通过旋耕或犁耙的方式将该生物炭材料与所述重金属污染土壤混合均匀，夯实土壤后进行为期60天的土壤修复；(iii)在步骤(ii)的修复周期内每隔30天定量抽取试验土壤，按照BCR分级提取的方法，对该土壤中重金属离子形态进行定性和定量测定，评估生物炭材料对土壤中重金属的钝化效果。更具体地，土壤中的重金属可分为酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态，其中酸溶态的重金属最不稳定较易转移，对环境危害较大；所述生物炭材料主要通过将重金属由酸溶态向其他难吸收形态转变从而实现土壤修复。作为进一步优选地，所述重金属污染土壤为Cu、Cd复合污染土壤。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术制备的生物炭材料对重金属污染土壤钝化效果显著，能在修复周期内不断使重金属离子尤其是Cu、Cd离子逐渐转换为难吸收形态，并且易转移的酸溶态重金属含量明显降低，有效避免了土壤中的重金属离子进入食物链污染环境，危害人体健康；2.此外，本专利技术制备的生物炭材料表面嫁接有稳定的P、K基团，可作为缓释复合肥料为农作物提供生长所需元素；3.最后，本专利技术制备生物炭过程中采用的原料不含人工制剂，均来自于农林废弃物，因此制作成本低，并且制备方法简单，不仅成功地将废弃农林资源转化为高附加值地产品，并且易于大规模商业化生产。附图说明图1是本专利技术提供的一种用于土壤修复的生物炭材料的制备流程图；图2是本专利技术实施例2和实施例4中制备的生物炭材料m-YBC和m-MBC的X射线衍射图谱(XRD)；图3是利用本专利技术制备的生物炭材料在重金属污染土壤的修复周期内，土壤中重金属的形态变化图，其中图3a为Cu的形态变化图，图3b为Cd的形态变化图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提出了一种用于土壤修复的生物炭材料及其制备方法，具体操作流程如图1所示，该方法包括以下步骤：(a)原料预处理：将生物质原料清洗干净后烘干，经粉碎机破碎后利用筛网进行筛分，将得到的生物质颗粒储存备用；(b)固态前驱体制备：将步骤(a)中制备的所述生物质颗粒与棕榈壳灰以质量比1：2～1：6的比例混合后加入液体获得固液混合物，将该固液混合物移入已预热的搅拌器中，在温度60℃～90℃的条件下充分搅拌后浸渍2h～12h，然后对该固液混合物进行分离，将滤液回收待循环利用，将过滤得到的滤渣冲洗后烘干制得所述固态前驱体；(c)热解制备生物炭材料：将所述固态前驱体置于固定床反应器中，在无氧条件下以5℃/min～10℃/min的升温速率加热到350℃～650℃进行热解，保温0.5h～2h后冷却至室温取出，获得所述用于土壤修复的生物炭材料。棕榈壳灰的成分分析如表1所示，其中P含量高达30.6％，K含量达到16.3％，因此棕榈壳灰是一种理想的天然改性剂和肥料。表1棕榈壳灰成分分析表进一步地，所述生物质原料优选为农林废弃物、藻类、污泥、生活垃圾中的一种或多种。进一步地，所述筛网优选为10目～120目。进一步地，所述液体优选为蒸馏水或滤液。进一步地，所述无氧条件为隔绝空气或通入惰性保护气体。现以具体的生物炭材料及其制备方法为例，对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1(a)玉米秆预处理：将50kg玉米秆用去蒸馏水清洗后烘干，然后用粉碎机将其粉碎过50目筛，将粒径小于0.300mm玉米秆颗粒再次烘干，送入储罐中备用；(b)前驱体制备：直接将步骤(a)中制备的玉米秆颗粒加入蒸馏水后移入已经加热到80℃的搅拌器中搅拌2h，冷却至室温后进行过滤，将滤渣多次冲洗烘干后得到前驱体，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于土壤修复的生物炭材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，(a)原料预处理：将生物质原料清洗干净后烘干，经粉碎机破碎后利用筛网进行筛分，将得到的生物质颗粒储存备用；(b)固态前驱体制备：将步骤(a)中制备的所述生物质颗粒与棕榈壳灰以质量比1：2～1：6的比例混合后加入液体获得固液混合物，将该固液混合物移入已预热的搅拌器中，在温度60℃～90℃的条件下充分搅拌后浸渍2h～12h，然后对该固液混合物进行分离，将滤液回收待循环利用，将过滤得到的滤渣冲洗后烘干制得所述固态前驱体；(c)热解制备生物炭材料：将所述固态前驱体在无氧条件下以5℃/min～10℃/min的升温速率加热到350℃～650℃进行热解，保温0.5h～2h后冷却至室温取出，获得所述用于土壤修复的生物炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于土壤修复的生物炭材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，(a)原料预处理：将生物质原料清洗干净后烘干，经粉碎机破碎后利用筛网进行筛分，将得到的生物质颗粒储存备用；(b)固态前驱体制备：将步骤(a)中制备的所述生物质颗粒与棕榈壳灰以质量比1：2～1：6的比例混合后加入液体获得固液混合物，将该固液混合物移入已预热的搅拌器中，在温度60℃～90℃的条件下充分搅拌后浸渍2h～12h，然后对该固液混合物进行分离，将滤液回收待循环利用，将过滤得到的滤渣冲洗后烘干制得所述固态前驱体；(c)热解制备生物炭材料：将所述固态前驱体在无氧条件下以5℃/min～10℃/min的升温速率加热到350℃～650℃进行热解，保温0.5h～2h后冷却至室温取出，获得所述用于土壤修复的生物炭材料。2.如权利要求1所述的一种用于土壤修复的生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述生物质原料优选为农林废弃物、藻类、污泥、生活垃圾中的一种或多种。3.如权利要求1或2所述的一种用于土壤修复的生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述筛网优选为10目～120目。4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世红，胡俊辉，张涵，邵敬爱，王贤华，杨海平，陈汉平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42