氨基嫁接改造专用猪粪炭、制备方法及其在农田退水氮回用方面的应用技术

本发明专利技术涉及一种炭基肥的制备方法，特别涉及一种以氨基嫁接改造专用猪粪炭、制备方法及其在农田退水氮回用方面的应用。一种氨基嫁接改造专用猪粪炭的制备方法，该方法包括以下步骤：1）原料干燥：将原料猪粪脱水至含水率80%‑85%后依次进行酸洗、干燥、粉碎制得干猪粪粉；2）液氮预处理与高温炭化，制得膨胀型猪粪炭；3）羧基化处理得到羧基化猪粪炭；4）氨基嫁接：将步骤3）制得的羧基化猪粪炭加入氨水流体，200‑240℃油浴加热条件下搅拌20‑24h，冷却至室温后，将反应产物洗涤过滤，用N

【技术实现步骤摘要】
氨基嫁接改造专用猪粪炭、制备方法及其在农田退水氮回用方面的应用
本专利技术涉及一种炭基肥的制备方法，特别涉及一种以氨基嫁接改造专用猪粪炭、制备方法及其在农田退水氮回用方面的应用，属于废弃物综合利用和农田氮磷面源污染防控领域。
技术介绍
生物质炭材料因其具有多孔特性、巨大的比表面积以及在土壤改良调理、保水保肥等方面表现出优异的性能，因而在环境中的多个领域得到广泛应用。新时期农业技术的迅速发展导致种植业化肥、农药等要素的过量施用以及养殖业畜禽粪便的乱排乱放，超过了农田的养分负荷，过剩的氮素通过地表径流等途径而造成地下水污染，水体富营养化等问题。近年来，我国因化肥施用引致的总氮排放增加到600多万吨，总磷排放增加到50多万吨。农业退水氮超标不仅严重破坏水域景观，同时也导致生态系统的失衡，以至于危害人类安全和发展。因此，减少土壤中氮流失、消减农田退水中氮污染以及畜禽粪便的资源利用对于控制农业面源污染十分重要，亟需研发一种定向高效吸附氮素的生物质炭材料，作为氮肥提升作物产量兼具土壤改良修复的作用。生物质炭具有发达的孔隙结构、丰富的含氧官能团、稳定的芳香化结构，应用于土壤改良，能改善土壤孔隙度，增加土壤持水度，调节土壤pH等，更重要的是生物炭原料成本低廉且易再生。近年来，我国畜禽粪便产生量已经由2011年的21.21亿吨增加到28.75亿吨，预计到2023年将达到37.43亿吨。大量的禽畜粪便未得到及时有效的处理和利用，已严重制约我国禽畜养殖业持续高效发展。据全国第一次污染源普查数据显示，禽畜粪便已与工业源、生活源成为水污染的三大主要来源。因此，亟需寻找一种合适的方法对其进行资源化利用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氨基嫁接改造专用猪粪炭的制备方法，具有高的比表面积和孔隙、丰富稳定的含氨官能团，显著提升农田退水氮污染的吸附消减性能。本专利技术还提供所述制备方法得到的氨基嫁接改造专用猪粪炭。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氨基嫁接改造专用猪粪炭的制备方法，该方法包括以下步骤：1)原料干燥：将原料猪粪脱水至含水率80％-85％后依次进行酸洗、干燥、粉碎制得干猪粪粉；2)液氮预处理与高温炭化：将步骤1)制得的干猪粪粉进行液氮密闭处理，搅拌30-60min，加入无水乙醇快速挥发，随后过滤、洗涤、干燥，将烘干后的产物进行600-800℃的高温煅烧炭化，并通入纯度为98.99％-99.99％的高纯氮气，炭化处理后的产物经洗涤后于100±5℃的条件下真空烘干12-24h，制得膨胀型猪粪炭；3)羧基化处理：将步骤2)制得的膨胀型猪粪炭采用超声分散于质量浓度为65％-68％的浓硝酸中，随后在微波辅助下搅拌4-6h，将产物洗涤、过滤、干燥得到羧基化猪粪炭；4)氨基嫁接：将步骤3)制得的羧基化猪粪炭加入氨水流体，200-240℃油浴加热条件下搅拌20-24h，冷却至室温后，将反应产物洗涤过滤，用N2吹干后将产物置于110±5℃条件下真空烘干12-24h，研磨后得到氨基嫁接改造专用猪粪炭。猪粪炭本身具有优良的性能，同时掺氮可以改善材料的浸润性、生物兼容性和导电性。氨基的嫁接保证了氨基的嫁接率，使材料具有较高的反应活性，进一步提高对水体中氮素的吸附性能，以便再次作为氮肥施于农田，兼具“以废治废”的废物资源化特点且成本低廉。肥料中的氮主要有三种存在形式：铵态氮、硝态氮、尿素氮(或酰胺态氮)。其中，铵态氮和硝态氮是植物可以大量吸收的氮，铵态氮是还原态，为阳离子，硝态氮是氧化态，为阴离子。利用氨基嫁接猪粪炭可以吸附大量的铵态氮，而掺氮可以提高对阴离子的吸附，即该材料可通过化学反应和静电作用吸附大部分氮素，实现氮肥的重复利用。本专利技术以废弃物猪粪为原料，通过液氮预处理、高温炭化和氨基嫁接等技术制备出氨基嫁接技术改造猪粪炭，可用来消减农田退水氮污染，并且农田回用。作为优选，步骤1)中酸洗、干燥、粉碎为采用1-2mol/L的H3PO4或HNO3浸渍，搅拌器慢搅3-5h，转速为100-200r/min，快搅1-2h，转速为500-600r/min，烘箱85-110℃干燥12-24h后，粉碎至粒径<0.1mm。作为优选，步骤2)中干猪粪粉与液氮的重量比为2：1-1.5，搅拌转速为200-400rpm；乙醇分2-3次添加，每次添加时间间隔为1.5-2.5min，每次添加量与干猪粪粉的重量比为2：0.8-1.5，随后用水洗涤过滤。作为优选，步骤2)中高温煅烧炭化在高温管式炉中进行，通入高纯氮气的流速为400-650mL/min，洗涤条件为无水乙醇和水交替洗涤，直至溶液pH呈中性。作为优选，步骤3)中膨胀型猪粪炭采用超声分散于浓硝酸中，超声频率为40kHz，超声时间为0.5-2h。采用微波加热炉，在功率为200-300W条件下进行加热搅拌，搅拌转速为300-600r/min。洗涤条件为无水乙醇和水交替洗涤，直至溶液pH呈中性，随后在85-100℃下真空干燥。作为优选，步骤4)中所述氨水流体为在温度320℃、压强10MPa条件下制得的氨水超临界流体，其浓度为2-3mol/L；羧基化猪粪炭与氨水超临界流体的重量比为2：2-3，通入氮气的流速为300-600mL/min。用无水乙醇和水交替洗涤，直至溶液pH呈中性。作为优选，步骤2)中掺氮含量为5-10％，步骤4)中氨基嫁接掺杂的氨基含量为10-15wt％。步骤二中液氮处理是进行氮掺杂；步骤三中浓硝酸进行羧基化处理，增强碳材料表面的反应活性；步骤四中用氨水超临界流体是进行氨基嫁接。本专利技术方法中，氮掺杂是为了提高碳材料表面的电子密度，降低碳材料与氮之间的吸附能，提高吸附效率；氨基嫁接过程中氨基是吸附氮的功能基团。一种采用本专利技术所述的方法制得的氨基嫁接改造专用猪粪炭，所述的氨基嫁接改造专用猪粪炭中，氨基含量为10-15wt％，掺氮含量为5-10％，比表面积为110-130m2/g。一种所述的氨基嫁接改造专用猪粪炭在农田退水氮污染消减与回用方面的应用。作为优选，农田退水进入猪粪炭高效吸附反应器，高效吸附反应器由三个依次连接的反应池组成，第一个反应池进行快速吸附，底部设有涡轮式搅拌器，转速300-600r/min，池中投入氨基嫁接改造专用猪粪炭，材料投加体积与反应器的体积比为1：15-20，反应池出水均通过底部的孔隙隔离网；第二个反应池进行截留吸附，截留猪粪炭的同时，底部也设有涡轮式搅拌器进行搅拌，待氨基嫁接改造专用猪粪炭充分吸附水体中的氮污染至超吸附平衡后，进入第三个反应池——斜板沉淀池，反应后收集沉淀物，晾干或烘干后得到缓释型炭基氮肥。将吸附氮饱和的专用猪粪炭回收，得到缓释型炭基氮肥，应用于土壤肥力提升和改良，该缓释型炭基氮肥的施用比例为3-5wt％。施用缓释型炭基氮肥时，测定含氮量，依据当地土壤的理化性质确定最佳施用量，在作物行间开沟，将此肥料施入其中覆土。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氨基嫁接改造专用猪粪炭的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n1）原料干燥：将原料猪粪脱水至含水率80%-85%后依次进行酸洗、干燥、粉碎制得干猪粪粉；/n2）液氮预处理与高温炭化：将步骤1）制得的干猪粪粉进行液氮密闭处理，搅拌30-60min，加入无水乙醇快速挥发，随后过滤、洗涤、干燥，将烘干后的产物进行600-800℃的高温煅烧炭化，并通入纯度为98.99%-99.99%的高纯氮气，炭化处理后的产物经洗涤后于100±5℃的条件下真空烘干12-24h，制得膨胀型猪粪炭；/n3）羧基化处理：将步骤2）制得的膨胀型猪粪炭采用超声分散于质量浓度为65%-68%的浓硝酸中，随后在微波辅助下搅拌4-6h，将产物洗涤、过滤、干燥得到羧基化猪粪炭；/n4）氨基嫁接：将步骤3）制得的羧基化猪粪炭加入氨水流体，200-240℃油浴加热条件下搅拌20-24h，冷却至室温后，将反应产物洗涤过滤，用N

【技术特征摘要】
1.一种氨基嫁接改造专用猪粪炭的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）原料干燥：将原料猪粪脱水至含水率80%-85%后依次进行酸洗、干燥、粉碎制得干猪粪粉；
2）液氮预处理与高温炭化：将步骤1）制得的干猪粪粉进行液氮密闭处理，搅拌30-60min，加入无水乙醇快速挥发，随后过滤、洗涤、干燥，将烘干后的产物进行600-800℃的高温煅烧炭化，并通入纯度为98.99%-99.99%的高纯氮气，炭化处理后的产物经洗涤后于100±5℃的条件下真空烘干12-24h，制得膨胀型猪粪炭；
3）羧基化处理：将步骤2）制得的膨胀型猪粪炭采用超声分散于质量浓度为65%-68%的浓硝酸中，随后在微波辅助下搅拌4-6h，将产物洗涤、过滤、干燥得到羧基化猪粪炭；
4）氨基嫁接：将步骤3）制得的羧基化猪粪炭加入氨水流体，200-240℃油浴加热条件下搅拌20-24h，冷却至室温后，将反应产物洗涤过滤，用N2吹干后将产物置于110±5℃条件下真空烘干12-24h，研磨后得到氨基嫁接改造专用猪粪炭。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中酸洗、干燥、粉碎为采用1-2mol/L的H3PO4或HNO3浸渍，搅拌器慢搅3-5h，转速为100-200r/min，快搅1-2h，转速为500-600r/min，烘箱85-110℃干燥12-24h后，粉碎至粒径<0.1mm。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中干猪粪粉与液氮的重量比为2：1-1.5，搅拌转速为200-400rpm；
乙醇分2-3次添加，每次添加时间间隔为1.5-2.5min，每次添加量与干猪粪粉的重量比为2：0.8-1.5，随后用水洗涤过滤。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中高温煅烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：单胜道，庄海峰，潘根兴，谢巧娜，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33