一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种缓解稻田氨挥发排放的水热生物炭的制备方法及其应用，其中制备方法包括：制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，进行升温热解，再冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥、再自然晾干并陈化，得到水热生物炭；将水热生物炭与柠檬酸溶液混合，在一定条件下进行酯化反应，得到最终产品；该产品用于稻田中控制氨挥发。本发明专利技术在水稻稻田中，按照本发明专利技术提供的施加方法施加改良水热生物炭，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量还可以增加水稻产量。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用
本专利技术属于水热生物炭缓解氨挥发
，特别涉及一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用。
技术介绍
氨气是生态系统氮循环的重要成分，也是大气污染物之一。土壤氨挥发是农田氮素损失的重要途径之一，这不仅降低了氮肥利用率而且挥发释放的氨气还会对环境造成污染。全世界施入土壤的氮肥中1%-47%以土壤氨挥发的形式进入大气。我国是世界上最大的产稻国，水稻土的面积达2.53×107hm2，占世界水稻土面积的23%，占我国粮食耕地面积的29%。但我国稻田中氮肥的利用率只有30%-35%，损失高达50%以上。氮肥利用率低不仅直接影响农业生产效益；同时也造成土壤、水和大气环境的污染，对人类赖以生存的环境造成危害。因此，研究氨挥发损失途径和机理，并探索控制氨挥发的施肥和农田管理措施，对于节约养分资源、提高农民种粮经济效益和保护生态环境均具有重要的现实意义。减少氨挥发的方法包括改进施肥技术、施用新型肥料、添加土壤改良剂等。其中生物炭作为一种土壤改良剂受到广泛关注并迅速升温成为当前研究的热点。特别是近年来，在气候变化、环境污染、能源短缺、粮食危机和农业可持续发展等宏观背景下，生物炭的潜在应用价值和应用空间被进一步拓展。目前研究较为广泛的是常规热解生物炭（pyro-char）。常规热解生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧或无氧条件下高温裂解形成的稳定的富碳产物。它具有良好的吸附性能，其吸附能力受原材料和制备温度的影响显著。常规热解生物炭除了直接吸附NH4+/NH3，降低N的损失提高利用率外，生物炭加入土壤中还能够促进土壤中NH4+向NO3--N转化，促进土壤N的转化提高了N的生物有效性。然而，常规热解生物炭多少制备条件下均呈碱性，虽然生物炭较强的吸附能力会滞留一部分的铵根，但是土壤酸碱条件的变化，会促进铵根向氨气的转化，进而导致氨挥发损失的增加。因此，从控制稻田氨挥发的角度，施加常规热解生物炭往往不是理想的技术措施。水热炭化作为一种新型的生物质炭化技术，由于不受物料含水率的制约、制备过程简单、反应条件温和、生物炭产量较高且具有官能团丰富等优点被认为是高含水率生物质制备生物炭较为理想的方法。水热炭化法（HTC）与传统的热化学转化方法相比，HTC温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，保留了大量废弃生物质中的氧、氮元素，水热炭化物表面具有丰富的含氧官能团，因而亲水性及金属吸附性强。水热生物炭炭产率较高，进而产生较高的总能量，但炭化率较低，芳香结构较少且生物稳定性差。因此，通过水热炭化技术利用农林废弃物生产生物炭，对于缓解资源浪费和解决环境污染等问题有着巨大的潜力。因为特殊的生成条件所导致的独特的物理化学结构，水热炭在吸附、制备多孔炭、催化剂载体和清洁能源等领域展现出了良好的应用前景。需要注意的是，水热炭化技术制备的生物炭（HTC），若施加不当，可能会造成负面效果，特别是其含有的较多有机酸和酚类物质，在较高施加量条件下可能对植物生长造成不利影响。此外，水热炭比表面积偏小，需要经过一定的预处理过程提高比表面积和对养分特别是铵根的吸附能力。因此，针对水热炭这类生物质炭材料，有必要通过一定的改良，并通过限定其制备条件、施加方式、施加时间等，实现环境效益和经济效益的最大化。基于水热炭的优良特性和潜在不利影响，本专利技术着眼于控制稻田氨挥发排放，同时避免其负面作用，提出了一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭及其应用，为我国稻田面源污染控制、大气质量的改善、化肥利用效率的提高提供一种低成本的、绿色友好的解决方案。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法及其应用，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量可以增加水稻产量。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180-260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1-10℃/min，反应釜内压力保持为4-10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5-10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥后得到原始水热生物炭；为了减少原始水热炭丰富的有机酸和有机酚可能对作物生长带来的负面影响，将制得的原始水热炭在自然状态下放置1-4周，进行陈化；步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10（w/v）充分混合，置于容器中浸渍1-2h，然后升温至70℃保持1-2h，继续升温至120℃保持3-12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2-3次，晾干，得到改良的水热生物炭。所述水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10（w/v），为两者之间的质量体积比，即1kg水热生物炭对应2-10L柠檬酸溶液。进一步的，所述步骤（1）中，原始材料为废弃的土生农作物和/或水生植物残体、林业副产物，其中土生农作物为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或多种；所述水生植物为水葫芦、黑麦草、水花生、水芹中的一种或多种；所述林业副产物为锯末、树木残体中的一种或多种。进一步的，所述步骤（1）中，土生农作物和水生植物破碎为长度0.1-2cm的碎块。进一步的，所述步骤（2）中，溶剂为水，原始材料和溶剂的固液比为1:5-1:10，即每1kg原始材料对应的水的体积为5-10L。进一步的，所述步骤（3）中，炭基材料沥水后，烘干或晾干得到原始水热生物炭。进一步的，所述步骤（4）中柠檬酸溶液浓度为0.4-0.7mol/L，制得改良的水热生物炭pH为3-6，改良的水热生物炭比表面积为10-100m2/g。一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的应用，改良的水热生物炭作为土壤改良剂，施加于水稻稻田中，控制稻田氨挥发。进一步的，改良的水热生物炭的施加方法为表层混施，将改良的生物炭与稻田表层2-20cm的水稻土混合。进一步的，改良的水热生物炭的施加时间为基肥前1-10d或与其它基肥混合后一起施加。进一步的，改良的水热生物炭的施加量为0.1%-3%（w/w），即每1kg表土中施加改良的水热生物炭的量为1-30g。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：在水稻稻田中，按照本专利技术提供的施加方法施加水热生物炭，能够减缓稻田氨挥发，增加土壤炭库，提高生物质资源的利用率，合理的使用量还可以增加水稻产量。附图说明图1是试验例中基肥期氨挥发通量；图2是试验例中分蘖肥期氨挥发通量；图3是试验例中穗肥期氨挥发通量；图4是试验例中三个肥期不同处理氨挥发通量。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作更进一步的说明。实施例1一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将小麦秸秆、水稻秸秆、水花生、水芹破碎为长度0.1-2cm的碎本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180‑260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1‑10℃/min，反应釜内压力保持为4‑10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5‑10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥后得到原始水热生物炭；将制得的原始水热炭在自然状态下放置1‑4周，进行陈化；步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2‑1:10 （w/v）充分混合，置于容器中浸渍1‑2h，然后升温至70℃保持1‑2h，继续升温至120℃保持3‑12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2‑3次，晾干，得到改良的水热生物炭。

【技术特征摘要】
1.一种缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）、制备水热炭的原始材料：将土生农作物和/或水生植物进行破碎，步骤（2）、制备原始材料和溶剂的混合材料：将原始材料与溶剂混合得到混合材料；步骤（3）、制备水热生物炭：将混合材料置于水热反应釜中，设定最高温度为180-260℃，水热反应釜内为密闭环境，且在缺氧的条件下进行升温并热解，升温速率为1-10℃/min，反应釜内压力保持为4-10MP，温度上升至设定的最高温度后保持该温度反应0.5-10h，随后关闭反应釜，打开放气阀，排出气体并冷却至常温，最后将制备的炭基材料取出，沥水干燥后得到原始水热生物炭；将制得的原始水热炭在自然状态下放置1-4周，进行陈化；步骤（4）、制备改良的水热生物炭；将陈化后的水热生物炭与柠檬酸溶液按照物料比为1:2-1:10（w/v）充分混合，置于容器中浸渍1-2h，然后升温至70℃保持1-2h，继续升温至120℃保持3-12h，冷却至常温；将反应结束后的固体物质取出，去离子水洗涤2-3次，晾干，得到改良的水热生物炭。2.根据权利要求1所述的缓解稻田氨挥发排放的改良水热生物炭的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，原始材料为废弃的土生农作物和/或水生植物残体、林业副产物，其中土生农作物为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或多种；所述水生植物为水葫芦、黑麦草、水花生、水芹中的一种或多种；所述林业副产物为锯末、树木残体中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王悦满，冯彦房，薛利红，陈玉东，杨林章，刘杨，刘雅文，
申请(专利权)人：江苏省农业科学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32