一种改性生物炭及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物炭材料制备领域，具体涉及一种改性生物炭及其制备方法和应用。

背景技术：

土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，其微小的变化会对大气co2浓度产生重要的影响，在全球碳循环中起着重要的作用。生物炭不仅具有碳储存能力，并且可以降低或者抑制土壤中co2的排放。生物炭的施入能够增加土壤有机碳的含量，并与土壤有机质之间产生激发效应。

目前已有多篇文章报道显示生物炭的施用对于降低土壤中co2的排放具有一定效果，如柯跃进等人发表于《环境科学》的题目为“水稻秸秆生物炭对耕地土壤有机碳及其co2释放的影响”的文献的研究显示，水稻秸秆生物炭的施用能够降低耕地土壤co2的排放，最大减排率可达41.05％。张杰等人发表于《农业环境科学学报》题目为“秸秆、木质素及其生物炭对潮土co2释放及有机碳含量的影响”文献的研究显示，秸秆和木质素会造成co2释放量的增加，而秸秆和木质素制备的生物炭能增加土壤有机碳含量，降低co2释放量，因此生物炭农用在固碳减排方面具有积极意义。但是，郭艳亮等人发表于《环境科学》的题目为“生物炭添加对半干旱地区土壤温室气体排放的影响”的文献对半干旱地区农田土壤进行的为期6个月的研究却表明，经生物炭处理的土壤，其co2排放通量随生物炭添加量的增加呈现增加趋势；花莉等发表于《安徽农业科学》的题目为“生物质炭输入对土壤co2释放影响的研究”的文献的研究，将椰壳生物炭(600℃)施入土壤的室内研究试验发现，在施炭量为1％～5％范围内，土壤co2释放量随着施炭量的增加而增大。可见生物炭对土壤co2释放的影响尚存在不确定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种改性生物炭及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种改性生物炭，所述改性生物炭由生物质原料和铁盐制备，制备过程包括：将生物质原料热裂解得到生物炭；将所述得到的生物炭充分浸渍于铁盐溶液中得到浸渍后的原料；将浸渍后的原料干燥后于惰性气体氛围下在450-600℃下焙烧即得到所述改性生物炭。

本发明的改性生物炭能够有效的降低土壤中co2的释放速率。

优选地，所述生物质原料选自秸秆、树叶或者草本植物。

优选地，所述铁盐为硝酸铁、硫酸亚铁、氯化铁中的至少一种。

优选地，所述生物质原料和铁盐的用量质量比为1：1-2。

优选地，所述生物质原料为水稻秸秆、杨树叶、芒草中的一种。

优选地，生物质原料热裂解的温度为280-320℃。

优选地，生物质原料热裂解的温度为300℃。

优选地，生物炭充分浸渍于铁盐溶液的时间为20-24h。

优选地，用于浸渍生物炭的铁盐溶液中溶质的质量分数为33％-50％。

本发明还提供一种上述任一所述的改性生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将生物质原料粉碎后热裂解得到生物炭；

(2)将步骤(1)得到的生物炭充分浸渍于铁盐溶液中得到浸渍后的原料；

(3)将浸渍后的原料干燥得到干燥物料；

(4)将步骤(3)得到的干燥物料于惰性气体氛围下在450-600℃下焙烧即得到所述改性生物炭。

优选地，步骤(1)中热裂解的温度为280-320℃，热裂解的时间为1-2h。

优选地，步骤(1)中热裂解的温度为300℃。

优选地，步骤(3)中生物炭充分浸渍的时间为20-24h。

优选地，步骤(3)中干燥的温度为100-110℃，干燥的时间为36-48h。

优选地，步骤(4)中以5-10℃/min的速率升温至450-600℃，保持1-2h焙烧。

优选地，步骤(1)中生物质原料粉碎后的粒度为80-100目。

优选地，步骤(2)中铁盐溶液中溶质的质量分数为33％-50％。

本发明还提供一种上述任一所述的改性生物炭在降低土壤中co2排放中的应用方法。

优选地，将如上述任一所述的改性生物炭与土壤按照质量比0.5％-1％投放到土壤中，并将改性生物炭与土壤混合均匀。

更优选地，将如上述任一所述的改性生物炭与土壤按照质量比0.8％-1％投放到土壤中，并将改性生物炭与土壤混合均匀。

将改性生物炭投放于土壤中能够有效的降低土壤中co2的释放速率。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种改性生物炭及其制备方法和应用，本发明的改性生物炭可以显著降低土壤中二氧化碳的释放，有助于减少土壤有机碳的损失，还可以提高土壤有机碳的累积，改善土壤质量，缓冲日益加剧的温室效应的影响。本发明的制备方法成本低，工艺简单。

附图说明

图1为本发明实施例的改性生物炭的表征图，(a)是本发明实施例的改性生物炭的sem图，(b)是本发明实施例的改性生物炭的eds谱图。

图2为本发明实施例的改性生物炭的xrd图。

图3为本发明实施例的改性生物炭的应用效果图。

图4为本发明实施例的改性生物炭的应用效果图。

图5为本发明实施例的改性生物炭的应用效果图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为本发明实施例的改性生物炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将水稻秸秆粉碎至80-100目后在300℃热裂解1-2h得到生物炭；

(2)将步骤(1)得到的生物炭充分浸渍于硝酸铁溶液中20-24h，得到浸渍后的原料；

(3)将浸渍后的原料在100-110℃温度下干燥36-48h；

(4)将步骤(3)得到的干燥物料放置于管式炉中的石英小舟中，于氮气气体氛围下以5-10℃/min的速率升温至450-600℃，保持1-2h焙烧即得到所述改性生物炭；

其中，步骤(2)中铁盐溶液中溶质的质量分数为33％-50％；

水稻秸秆原料和硝酸铁的用量为1：1-2。

如图1b所示，是本实施例制备得到的改性生物炭的eds谱图，表明该改性生物炭的结构中含有铁、碳、磷、硅和氧元素，其中铁含量达到75.32％。

如图2所示，为实施例的改性生物炭的xrd图，谱图上在2θ＝32.1°、35.5°、43.3°和62.7°处出现衍射峰，因此可进一步确定材料中引入了fe3o4相。

实施例2

作为本发明实施例的一种的改性生物炭在降低土壤中co2排放中的应用方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将如实施例1所述的改性生物炭(fe3o4-biochar)与土壤按照质量比0.5％投放到土壤中，并将改性生物炭与土壤混合均匀；

(2)保持土壤含水量为田间持水量的65％，培养温度为(25±1)℃，进行培养。

培养过程在培养箱中进行，采用气相色谱法测定土壤的co2排放量，检测培养5天、11天和20天的co2排放量。

设置未改性的生物炭(biochar)作为对照实验，结果如图3所示。

设置不添加生物炭作为空白实验(controlgroup)。

如图3所示，在培养初期，生物炭组的co2释放速率较controlgroup并无明显差异，而改性生物炭组的co2释放速率较controlgroup有所下降。随着培养时间的增加，到培养的第11天，生物炭组的co2释放速率反而高于controlgroup，这可能是由于生物炭中的易分解组分较多地被分解成为co2所致；而改性生物炭组的co2释放速率则几乎与controlgroup相当，略大于controlgroup，说明改性生物炭上能减少生物炭材料中的易分解成分，使材料的固碳性能更佳。到培养的第20天，由于生物炭组中的易分解成分已分解完，三个组的co2释放速率没有明显差异。

实施例3

作为本发明实施例的一种的改性生物炭在降低土壤中co2排放中的应用方法，本实施例与实施例2的唯一区别为：将如实施例1所述的改性生物炭(fe3o4-biochar)与土壤按照质量比0.8％投放到土壤中，并将改性生物炭与土壤混合均匀。

采用气相色谱法测定土壤的co2排放量，检测培养5天、11天和20天的co2排放量。结果如图4所示。

如图4所示，在培养初期，生物炭组(biochar)的co2释放速率较controlgroup略有下降，但改性生物炭组(fe3o4-biochar)的co2释放速率下降的幅度更大。随着培养时间的增加，到培养的第11天，生物炭组的co2释放速率反而高于空白实验(controlgroup)，且高于施用量为0.5％时的释放速率，这可能是由于生物炭中的易分解组分较多地被分解成为co2所致；而改性生物炭组的co2释放速率则略低于controlgroup，推测四氧化三铁负载到生物炭上能减少生物炭材料中的易分解成分，使材料的固碳性能更佳。到培养的第20天，由于生物炭组中的易分解成分已分解完，生物炭组和controlgroup的co2释放速率没有明显差异，而改性生物炭组的则比其他两组都低。可见，该改性生物炭材料的固碳性能较普通生物炭更好。

实施例4

作为本发明实施例的一种的改性生物炭在降低土壤中co2排放中的应用方法，本实施例与实施例2的唯一区别为：将如实施例1所述的改性生物炭(fe3o4-biochar)与土壤按照质量比1％投放到土壤中，并将改性生物炭与土壤混合均匀。

采用气相色谱法测定土壤的co2排放量，检测培养5天、11天和20天的co2排放量。结果如图5所示。

如图5所示，在培养初期，生物炭组的co2释放速率较controlgroup略有下降，但改性生物炭组的co2释放速率下降的幅度更大，且比施用量为0.8％时的释放速率更小。随着培养时间的增加，到培养的第11天，生物炭组的co2释放速率反而高于controlgroup，这可能是由于生物炭中的易分解组分较多地被分解成为co2所致；而改性生物炭组的co2释放速率则低于controlgroup，说明改性生物炭上能减少生物炭材料中的易分解成分，使材料的固碳性能更佳。到培养的第20天，由于生物炭组中的易分解成分已分解完，三个组的co2释放速率没有明显差异。

由图3-5的结果说明，在短时间内(5天)本发明的改性生物炭和普通生物炭均能够缓解土壤中二氧化碳的释放速率，且改性生物炭的效果优于普通生物炭的效果；时间稍长一些(11天)普通生物炭生物炭反而会增加土壤中二氧化碳的释放速率，而改性生物炭能够保持略低于或者基本与不添加生物炭的土壤中二氧化碳的释放速率；说明改性生物炭添加于土壤在短时间内能够实现缓解土壤中二氧化碳的释放速率的效果，且缓解的效果优于普通的生物炭，而且随着时间的延长，不会导致如生物炭引起土壤中二氧化碳的释放速率增大的问题。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。