【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于农田土壤治理，涉及硅酸盐改性生物炭的制备方法及其在阻控农田土壤镉污染中的应用。
技术介绍
1、公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、镉具有毒性强、易生物累积等特征，可经土壤-作物-农产品食物链系统进入人体，危害人体健康。随着工农业发展，人类活动造成镉排放，并汇入到农田土壤，影响土壤酶活性、微生物种类、数量、群落结构及作物生长等，破坏土壤生态系统平衡，导致土壤质量下降。根据2014年全国土壤污染状况调查公报，发现全国土壤环境状况总体不容乐观，土壤污染点位总超标率为16.1％，其中镉污染点位超标率为7.0％，耕地土壤环境质量堪忧，为满足人们粮食及农产品的需求，不可避免的在轻中度污染农田上种植农作物，采取必要的安全利用技术措施是降低农产品镉积累的有效方法。在安全利用措施中，施用土壤调理剂或阻控剂是重要的技术措施，其中生物炭应用较为广泛。
3、生物炭是有机生物质在限氧或缺氧条件下，经高温热解制备的一类多孔富碳材料，因其良好的理化性质(巨大的表面积、较高的ph以及显著的阳离子交换能力等)被作为土壤调理剂广泛用于解决农用地土壤重金属污染，尤其是镉污染。然而，原始生物炭的吸附性能有限，将其直接添加至农业用地中不足以解决轻中度农田镉污染风险问题。近年来，通过不同改性方法制备的生物炭在提高钝化效果方面取得了一定成果，但高效的生物炭产品仍然较少。为了进一步提升生物炭的钝化效果，研究者们发现，
4、在大量文献研究中，硅被发现是一种在土壤-作物生态系统中具有重要作用的元素，它不仅能改善土壤的物理和化学性质，还能促进作物生长，从而在增强生物炭钝化效果的同时，对土壤健康和作物生产都带来益处。硅不仅能提高作物对各种生物和非生物胁迫(如干旱、盐度、疾病和毒性)的耐受性，显著促进作物生长；在镉胁迫下，硅还能协同增强清除过量的活性氧、缓解作物中镉诱导的光合作用抑制，同时可以通过硅酸盐调节土壤ph改变金属形态来调节重金属生物有效性。总之，硅不仅缓解镉对作物生长的抑制作用，还能减少作物对镉的吸收积累，对作物生长起到重要作用。
5、专利cn116673001a公开了一种基于硅酸钠改性的蓝藻生物炭在修复土壤镉污染和降低温室气体排放方面展现出良好的应用潜力。然而，蓝藻本身含水量较高，需要经过干燥处理才能制成生物炭，这会增加生产成本和能耗。蓝藻中的结构和化学成分可能造成生物炭的质量和性能不稳定。生长环境中可能存在污染物，如果未经处理直接制成生物炭，可能导致生物炭中含有有害物质。这都限制了蓝藻生物炭的大规模生产和应用。专利cn110724013a公开了一种用于修复中轻度镉污染土壤的调理剂及其制备方法、使用方法，土壤调理剂是以有机肥、石灰石、羟基磷灰石、钙镁磷肥、微生物菌剂和改性生物炭复配得到的，能够有效地钝化土壤中的重金属，并抑制了农作物对镉的吸收。但是该方法制备相对复杂，不同成分的土壤调理剂可能存在互相干扰，进而影响钝化效果。
6、轻中度镉污染农田的安全利用是一个长期且重要的国家战略任务。为了有效缓解土壤污染现状并恢复土壤的安全生产能力，研发能够高效修复镉土壤的调理剂至关重要。因此，本研究结合生物炭和硅的优点，研发可以高效修复镉土壤的新型功能调理剂，从而抑制作物对镉的富集，提高作物产量和质量，有效解决轻中度镉污染农田的安全问题，保障农产品的安全和土壤的健康。
技术实现思路
1、为了进一步提升生物炭对镉的钝化效果，本专利技术利用硅酸盐对生物炭进行改性制备硅酸盐改性生物炭，增加了生物炭表面官能团的种类及数量，不仅能够提高生物炭对重金属的吸附性能，钝化重金属；而且能够同时抑制作物对重金属的富集。
2、为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
3、一方面，一种硅酸盐改性生物炭的制备方法，将粉碎后的生物质加入至硅酸盐溶液中，在20℃～30℃条件下进行搅拌改性24h～48h，获得改性生物质；在惰性气氛条件下，将改性生物质程序升温至400℃～700℃，进行热解2h～4h，即得。
4、本专利技术经过对花生壳等生物质研究发现，花生壳生物炭具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构和较多的表面官能团等优势，可以用于农田中对重金属的吸附固定，但由其直接热解的生物炭对重金属的吸附固定能力有限，不满足对农田镉污染的处理要求。
5、硅作为一种有益元素，可以促进作物生长。本专利技术研究发现，土壤中的有效硅被植物吸收后能够抑制镉在作物中的富集，从而减轻作物可是部分中镉的积累。经过进一步研究发现，经过硅酸盐浸渍改性的改性生物质，然后进行热解获得的硅酸盐改性生物炭。该方法制备的硅酸盐改性生物炭，由于在热解前浸渍硅酸盐，导致解热后硅酸盐堵塞生物炭的孔隙结构，造成微孔和介孔数量的减少，从而使得比表面积、孔容积以及孔径均有所下降，而生物炭的吸附作用主要通过较大的比表面积实现的。然而，本专利技术意外地发现，虽然本专利技术制备的硅酸盐改性生物炭大大降低了其比表面积，但是其对镉离子的吸附量显著提高，其主要原因是通过硅酸盐改性后，使得硅酸盐改性生物炭表面的官能团增加，产生了更多的镉离子的吸附位点，从而使其对镉离子的吸附量不减反增。
6、另一方面，一种硅酸盐改性生物炭，由上述制备方法获得。
7、第三方面，一种上述硅酸盐改性生物炭在阻控农田土壤镉污染中的应用。
8、第四方面，一种上述硅酸盐改性生物炭在处理镉污染土壤中的应用。
9、本专利技术的有益效果为：
10、(1)本专利技术通过硅酸盐对生物质改性，然后进行热解，使得硅酸盐负载在生物炭的表面以及孔隙结构中，虽然极大的降低了生物炭的比表面积，但是增加了官能团，提高了镉离子的吸附位点，从而使得硅酸盐改性生物炭对镉离子的吸附量不减反增，其对镉离子的吸附量提高了40多倍，可达240mg g-1以上(例如最大吸附容量可达243.90mg g-1)。
11、(2)本专利技术研究表明，该硅酸盐改性生物炭能够降低土壤中dtpa镉的含量。在具体的实施例中，与空白相比，采用1％(质量百分比)添加量下，硅酸盐改性生物炭材料使土壤中有效态镉含量从0.58mg kg-1降到0.53mg kg-1。
12、(3)本专利技术研究表明，该硅酸盐改性生物炭能够显著降低作物中的镉含量。在具体的实施例中，与空白相比，采用1％(质量百分比)添加量下，硅酸盐改性生物炭材料使植株中的镉从1.32mg kg-1降到0.60mg kg-1。
13、(4)本专利技术研究表明，该硅酸盐改性生物炭能够显著提高了作物的产量。在具体的实施例中，以菠菜为例，与空白相比，采用1％(质量百分比)添加量下，硅酸盐改性生物炭材料使植株从每盆8.52g提高到10.40g。
14、综上，本专利技术利用硅酸盐浸渍处理得到硅酸盐改性生物炭材料。本专利技术提供的制备方法简单易行，同时实现了农业废弃物的资源化利本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，将粉碎后的生物质加入至硅酸盐溶液中，在20℃～30℃条件下进行搅拌改性24h～48h，获得改性生物质；在惰性气氛条件下，将改性生物质程序升温至400℃～700℃，进行热解2h～4h，即得。
2.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，所述生物质为秸秆、花生壳、玉米芯、木屑中的一种或几种；
3.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，生物质与硅酸盐溶液的添加比为1:15～25，g:mL；
4.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，改性生物质干燥、粉碎后进行热解；
5.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，所述程序升温的速率为5～15℃min-1，或为8～12℃min-1；
6.一种硅酸盐改性生物炭，其特征是，由权利要求1～5任一所述的制备方法获得。
7.如权利要求6所述的硅酸盐改性生物炭，其特征是，表面Si含量为2.0～2.5％。
8.一种权利要求6或7所述的硅酸盐改性生物炭在阻控农田土
9.如权利要求8所述的应用，其特征是，将所述硅酸盐改性生物炭加入至农田中混合均匀，然后种植农作物。
10.一种权利要求6或7所述的硅酸盐改性生物炭在处理镉污染土壤中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，将粉碎后的生物质加入至硅酸盐溶液中，在20℃～30℃条件下进行搅拌改性24h～48h，获得改性生物质；在惰性气氛条件下，将改性生物质程序升温至400℃～700℃，进行热解2h～4h，即得。
2.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，所述生物质为秸秆、花生壳、玉米芯、木屑中的一种或几种；
3.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，生物质与硅酸盐溶液的添加比为1:15～25，g:ml；
4.如权利要求1所述的硅酸盐改性生物炭的制备方法，其特征是，改性生物质干燥、粉碎后进行热解；
<...【专利技术属性】
技术研发人员：戴九兰，孙梅，于小晶，成冰，白利勇，刘贺，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。