表面官能团扩增生物质炭及其制备方法和应用技术

表面官能团扩增生物质炭及其制备方法和应用，将采集的稻草风干磨细，置于马弗炉中厌氧热解制得生物质炭，室温下自然冷却后过筛以备用；称取海藻酸钠固体，加入去离子水，然后放入水浴锅中，形成均匀粘性混合溶液；将生物质炭与混合溶液搅拌，然后加入CaCl2溶液，继续搅拌；将上述混合物离心，弃去上清液，固相部分用去离子水洗涤后，放入烘箱烘干，磨细过筛，即获得海藻酸盐改性生物质炭。与普通秸秆生物质炭相比，海藻酸盐改性稻草生物质炭表面羧基官能团数量成倍增加，质子结合位点数大幅度增加，自身的酸缓冲性能也显著增强，改良酸性水稻土时改良剂用量减少，使用成本下降。使用成本下降。使用成本下降。

【技术实现步骤摘要】
表面官能团扩增生物质炭及其制备方法和应用
[0001]

[0002]本专利技术属于土壤改良
，具体涉及酸性水稻土改性生物质炭改良剂及其制备方法和在提升土壤抗酸化能力中的应用。

技术介绍

[0003]近年来，我国南方部分地区由于水稻土 Cd 污染导致稻米 Cd 含量超过国家规定的限量标准值。对于南方酸性土壤地区，稻米 Cd 超标除与土壤 Cd 等重金属含量有关外，土壤酸化是另一个重要原因。
[0004]前期的研究发现向酸性水稻土中添加生物质炭可以提升土壤pH缓冲容量，并增强其抗酸化性能。这是因为生物质炭表面的弱酸性官能团（如
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COOH），在中性或碱性条件下主要以有机阴离子的形式存在，当有外源酸进入土壤时，这些有机阴离子与H
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缔合成中性分子，从而对土壤 pH 起到一定的缓冲作用。此外，当水稻土淹水时，生物质炭表面官能团离解并释放质子，减缓了土壤pH的上升；烤田时生物质炭表面阴离子的质子化作用又抑制了土壤pH的下降。加之生物质炭自身呈碱性，将其施入水稻土中能有效提高土壤落干时的pH，而土壤重金属的活性与土壤pH密切相关，故外源添加生物质炭可以通过调控水稻土酸度增强对土壤Cd等重金属的钝化效果。
[0005]目前生物质炭的制备和生产费用较高，将其应用于酸性水稻土改良的成本也较高，因此难以在农业生产过程中大规模推广和使用。海藻酸钠是一种天然多糖，含有大量的
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COO
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，且易于获取，价格低廉。如果能将其与生物质炭进行有效结合，不仅可以扩增生物质炭表面官能团数量，增强生物质炭对酸性水稻土pH变化的缓冲效果，而且还能通过减少生物质炭的使用量降低投入成本，这为酸性水稻土高效改良剂的制备和应用提供了有利条件。
[0006]
技术实现思路

[0007]解决的技术问题：本专利技术针对一般农作物秸秆制备的生物质炭官能团数量相对较少，对酸性水稻土的改良效果不佳，秸秆生物质炭用量大和施用成本高等问题，提供一种表面官能团扩增生物质炭及其制备方法和应用。
[0008]技术方案：表面官能团扩增生物质炭的制备方法，制备步骤为：（1）将采集的稻草风干磨细，置于300 ℃的马弗炉中厌氧热解3 h制得生物质炭，室温下自然冷却后，将产物磨细过0.25mm筛以备用；（2）称取10 g海藻酸钠固体，加入200 mL去离子水，然后放入水浴锅中，调节温度至90 ℃，期间持续搅拌，直至形成均匀粘性混合溶液，混合溶液中海藻酸钠质量浓度为5%；（3）将生物质炭与混合溶液按照1 g/20 mL的比例搅拌，然后加入质量分数为2%的CaCl2溶液200 mL，继续搅拌1h，之后静置7 h；（4）将上述混合物在6000转/min条件
下离心，弃去上清液，固相部分用去离子水洗涤后，放入50 ℃烘箱烘干，磨细过0.25 mm筛，即获得海藻酸盐改性生物质炭。
[0009]上述制备方法制得的表面官能团扩增生物质炭。
[0010]上述表面官能团扩增生物质炭在提升水稻土抗酸化能力中的应用。
[0011]上述表面官能团扩增生物质炭在制备水稻土抗酸化产品中的应用。
[0012]上述应用具体步骤为：按土重的3%向酸性水稻土中添加表面官能团扩增生物质炭，混合均匀后，按固/液比1:1添加去离子水进行一个月的淹水培养，然后自然落干。
[0013]海藻酸钠中含有大量的羧酸根阴离子（
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COO
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），将其与生物质炭结合能有效扩增生物质炭表面羧基官能团数量。当将上述生物质炭添加到水稻土中，其表面官能团离解产生的有机阴离子与外源质子结合形成中性分子，从而对土壤pH起到了一定的缓冲作用。故海藻酸盐改性稻草生物质炭表面羧基的质子化作用能有效增强水稻土的缓冲性能，这是本专利技术的主要技术原理。此外，海藻酸盐改性稻草生物质炭通过表面羧基官能团与质子的缔合和解离能控制水稻土在淹水种稻和烤田落干期间pH的变化，特别是对水稻土落干时pH的降低起到了有效抑制，从而提高了水稻土落干时的pH，。与普通秸秆生物质炭相比，本专利技术中海藻酸盐改性稻草生物质炭表面羧基官能团成倍增加，质子结合位点数相应增多，自身缓冲性能也显著增强，使得其对酸性水稻土的抗酸化作用大幅度提升，因此，是一种酸性水稻土高效改良剂。
[0014]有益效果：海藻酸盐改性稻草生物质炭表面含有大量的羧基等弱酸性官能团。向酸性水稻土中添加上述生物质炭有效提升了土壤的pH缓冲容量，增强了土壤的抗酸化性能，有效调控了土壤在干湿交替过程中pH和Eh的动态变化，提高了酸性水稻土落干时的pH。与普通秸秆生物质炭相比，海藻酸盐改性稻草生物质炭表面羧基官能团数量成倍增加，质子结合位点数大幅度增加，自身的酸缓冲性能也显著增强，改良酸性水稻土时改良剂用量减少，使用成本下降。因此，本专利技术中海藻酸盐改性生物质炭是酸性水稻土的高效改良剂。
[0015]附图说明
[0016]图1 稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭中有机碳含量比较示意图；图2 稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭的缓冲性能比较示意图；图3 稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭中羧基官能团含量比较示意图；图4 稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭中质子结合位点数比较示意图；图5 添加3%的稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭后第三纪红砂岩发育的水稻土抗酸化性能的比较示意图；图6添加3%的稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭后花岗岩发育的水稻土干湿交替过程中Eh动态变化的比较示意图；图7添加3%的稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭后花岗岩发育的水稻土干湿交替过程中pH动态变化的比较示意图；图8 添加3%的稻草生物质炭和海藻酸盐改性稻草生物质炭后花岗岩发育的水稻土落干终点pH的比较示意图。
[0017]具体实施方式
[0018]（1）有机碳含量：采用干烧法通过CNS元素分析仪（Vario MAX，Elementar，德国）进行测定，从而表征海藻酸钠在生物质炭表面的附着情况；（2）缓冲性能：通过自动滴定仪（T50，Mettler Toledo，瑞士）用0.2 M HNO3溶液将生物质炭及海藻酸钠悬液pH滴定至2.0，根据滴定结果绘制滴定曲线，验证海藻酸钠对生物质炭缓冲性能的影响；（3）羧基官能团：采用Boehm滴定法测定，比较改性前后生物质炭表面羧基官能团的变化；（4）质子结合位点数：通过自动滴定仪（T50，Mettler Toledo，瑞士）先用0.2M HCl溶液将生物质炭悬液pH滴定至2.0，再用0.2M NaOH溶液将其pH滴定至12.0，比较改性前后生物质炭表面羧基官能团的变化。
[0019]实施例1海藻酸盐改性稻草生物质炭的制备及其理化性质实验所用的稻草采集自江苏连云港地区，风干磨细后，将其装入小陶瓷坩埚内，压实盖上盖子，在小陶瓷坩埚外套上大陶瓷坩埚，保证一个厌氧环境，然后放入马弗炉中，300 ℃下炭化3 h，室温下自然冷却后磨细过0.25 mm筛以备用。称取10 g海藻酸钠固体于500 mL烧杯中，加入200 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.表面官能团扩增生物质炭的制备方法，其特征在于，制备步骤为：（1）将采集的稻草风干磨细，置于300 ℃的马弗炉中厌氧热解3 h制得生物质炭，室温下自然冷却后，将产物磨细过0.25mm筛以备用；（2）称取10 g海藻酸钠固体，加入200 mL去离子水，然后放入水浴锅中，调节温度至90 ℃，期间持续搅拌，直至形成均匀粘性混合溶液，混合溶液中海藻酸钠质量浓度为5%；（3）将生物质炭与混合溶液按照1 g/20 mL的比例搅拌，然后加入质量分数为2%的CaCl2溶液200 mL，继续搅拌1h，之后静置7 h；（4）将上述混合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：何娴，徐仁扣，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：