改性美人蕉生物炭在改善土壤养分、温室气体减排中的应用

本发明涉及改性生物炭，具体涉及改性美人蕉生物炭在改善土壤养分、温室气体减排中的应用。

背景技术：

1、生物炭是生物质(如秸秆、杂草、木材等农林废弃物)在缺氧条件下不完全燃烧产生的含碳高聚物的统称。生物炭具有高度芳香化结构，表面多孔且含有丰富的含氧官能团，具有表面吸附和化学性质稳定的特性。生物炭本身很难与周围的环境物质发生反应而消失，即使通过沉降、掩埋、风化等地质循环过程，仍然能在大气、土壤、沉积物、岩石、水体和冰体中大量存在。

2、生物炭改性的方法主要有氧化剂表面氧化、金属氧化物浸渍等。目的是为了增强原始生物炭的功能性，使得生物炭具有更大的比表面积，以及含氧官能团等。

3、生物炭和改性生物炭具有出色的吸附能力，可以吸附和去除水中有机物、重金属离子和其他污染物。生物炭的高比表面积和丰富的孔隙结构提供了良好的吸附平台，而改性生物炭通过引入功能团或改变表面性质，进一步提高了吸附能力和选择性。这使得生物炭和改性生物炭在水处理、废水处理、土壤修复和大气污染控制等方面具有广泛的应用前景。

4、生物炭和改性生物炭在土壤改良方面也发挥着重要作用。它们具有良好的保水性和通气性，能够改善土壤结构和土壤保水能力。同时，生物炭和改性生物炭富含有机质和微量元素，可以提供植物生长所需的养分，促进植物的根系发育和吸收能力。此外，在酸性土壤中使用碱性改性生物炭可以有效调整土壤ph值，提供适宜的生长环境。因此，生物炭和改性生物炭可用于改良酸性土壤、提高土壤肥力、增加农作物产量等。

5、生物炭和改性生物炭在农业生产中也发挥着积极的作用。它们可以作为土壤改良剂或添加剂，提供植物所需的养分、保水性能和微生物活性，并改善土壤质量和作物生长条件。此外，生物炭和改性生物炭也可用于农作物的种植介质，如土壤改良剂、添加剂或育苗基质。通过调整和改良土壤环境，生物炭和改性生物炭可以提高农作物的产量和质量，提高土壤的养分利用效率，并减少化学肥料和农药的使用。

6、生物炭的改性方法较多，有物理改性(球磨、气体活化、紫外线照射等)、化学改性(酸、碱、金属盐或其他氧化剂等)和生物改性(添加微生物等)，但在不同条件下制备的生物炭存在吸附效果差、吸附选择性差、成本以及改性生物炭施加入土壤后对土壤产生污染等问题。本发明选用较为成熟的金属盐改性生物炭，对磷酸盐的吸附性能提升明显，并且从实用的角度来看，在大规模生产改性生物炭时，fe盐和mg盐中最具成本效益的，而且fe和mg与其他金属相比更环保，对植物的毒性更小。解决这些问题和缺陷对于推动改性生物炭的应用具有重要的意义，可以在环境污染治理、土壤改良、农业生产等领域发挥更大的作用。因此，需要进一步深入研究改性生物炭的制备方法，优化改性剂的选择和使用，提高改性生物炭的稳定性和性能，以适应不断增长的应用需求。

技术实现思路

1、土壤不合理施肥、生产力过度消耗等原因导致土壤酸化、碱化、盐渍化等土壤质量退化，如何科学合理、可持续的开发利用土地资源已成为当前急需解决的重大问题。生物炭作为一种土壤改良剂，为解决这一难题提供了全新的方向。本发明的目的在于提供改性美人蕉生物炭在改善土壤养分、温室气体减排中的应用，与未改性生物炭相比，改性生物炭具有吸附能力强、保肥保水性好等特点。另一方面，农业秸秆、城市污泥等作为生物质原料制备生物炭是废物减量化、无害化、资源化利用的一种新途径，对环境保护和资源节约意义重大。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、目前我国水体富营养化问题仍十分常见，主要是人为活动(生活污水、农业长期施肥、工业废水)引起的磷流失所造成的。磷的流失不仅会造成水体富营养化，还会加速磷资源的枯竭。本发明是利用制备的新型吸附剂回收含磷废水中的磷，减少磷向环境的输入，降低水体富营养化风险，并将吸附磷后的生物炭材料用于修复土壤，可增大土壤肥力以促进植物生长；同时，生物炭的孔隙结构，会为微生物提供一个良好的栖息场所，促进微生物生长，防止土壤板结，提高了土壤通透性，微生物的新陈代谢过程进而促进土壤养分元素的循环，提高土壤肥力，降低温室气体的排放。

4、一种改性美人蕉生物炭在改善土壤理化性质的应用。

5、进一步的，所述应用具体包括：调节酸性土壤至中性，提高土壤的铵态氮(nh4+-n)、硝态氮(no3--n)、亚硝态氮(no2--n)的含量，提高土壤速效磷、全磷和总碳的含量、降低了土壤全氮和可溶解性有机碳的含量，提高牧草的全氮和全磷含量。

6、一种改性美人蕉生物炭在促进植物生长的应用。

7、进一步的，所述应用具体包括：提高黑麦草和白三叶的干重，对于黑麦草、白三叶生长具有促进作用。

8、一种改性美人蕉生物炭在减少温室气体的应用。

9、进一步的，所述应用具体包括：减少二氧化碳与氧化亚氮的排放。

10、另一方面，本发明提出上述改性美人蕉生物炭的制备方法，包括以下步骤：

11、s1：选取预处理后的美人蕉制备美人蕉生物炭(cbc)；

12、s2：称取经步骤s1所得美人蕉生物炭(cbc)于试剂瓶内，加入金属氯化物溶液混合，之后将试剂瓶置于恒温振荡器中；

13、s3：通过真空抽吸泵对混合液进行抽滤，并用超纯水冲洗，直至滤液为中性，于80℃烘干，得到改性美人蕉生物炭。

14、进一步的，所述步骤s1中预处理具体包括：去除美人蕉的叶片、叶柄后将茎干切为4-6cm的小段，80℃烘干至恒重用。

15、进一步的，所述步骤s1中美人蕉生物炭的制备方法包括以下子步骤：

16、fe改性生物炭的制备

17、s1.1：取适量预处理后的美人蕉于真空管式炉中并预先通入10min的n2以排空石英管内的空气。

18、s1.2：美人蕉热解温度设置为800℃，升温速率为10℃/min，热解时间为1h的条件下制备生物炭，之后持续通入n2直至炉膛温度降至100℃以下。

19、s1.3：制备完成后过35目筛，得到不同温度条件下制备的美人蕉生物炭(cbc)，装袋封存备用。

20、进一步的，所述金属氯化物溶液为fecl3溶液，浓度为0.1mol/l，按照1g/20ml与美人蕉生物炭混合。

21、mg改性生物炭的制备

22、t1.1：称取足量经预处理后的美人蕉3000ml试剂瓶中，按照1g/20ml mgcl2溶液(0.1mol/l)的比例加入试剂瓶；

23、t1.2：将试剂瓶置于恒温振荡器中，在25℃条件下浸泡24h；

24、t1.3：反应完成后将美人蕉取出烘干，放入真空管式炉中，在800℃条件下制备mg改性生物炭。

25、进一步的，所述步骤s2中试剂瓶置于恒温振荡器的反应条件为：温度25℃、150rpm的条件下反应24h。

26、本发明的有益效果：

27、与未改性生物炭相比，改性生物炭在改良土壤，提升肥力的效果更加明显。改性生物炭可以有效地改变土壤的形态结构，提高土壤透气性、土壤持水能力；改性生物炭还能通过其吸附作用吸附土壤中的养分等微量元素，减少养分流失，提高肥料的利用率。同时改性生物炭较大的比表面积和孔隙结构，能为土壤微生物提供良好的生存环境，提高微生物的活性，进而促进作物对养分的吸收利用，提高养分的利益率，并降低温室气体的排放。

28、低成本制备：美人蕉作为一种常见的农副产品，具有广泛的分布和可获得性，相对于其他原料(如木材、秸秆等)，美人蕉的成本较低。通过使用美人蕉作为原料制备生物炭，可以降低生产成本，并有效利用农业资源。

29、改性剂选择灵活性高：金属氯化物溶液可以选择fecl3溶液或mgcl2溶液进行改性。这些金属离子与美人蕉生物炭中的官能团发生化学反应，改变其表面性质和化学活性。例如，fecl3溶液可引入羟基和羧基官能团，而mgcl2溶液可引入羟基官能团。不同金属离子的选择可以根据所需的改性效果进行灵活调整。

30、改性效果稳定性高：通过将美人蕉生物炭与金属氯化物溶液混合，并在恒温振荡器中进行反应，可以使金属离子与生物炭表面充分接触，并发生化学反应。这种改性方法能够使金属离子牢固地固定在生物炭表面，增加改性效果的稳定性。金属离子的固定化可以防止其在环境中的溶解和释放，提高生物炭的循环使用能力和长期稳定性。

31、本发明提出的改性美人蕉生物炭具有高比表面积和多孔结构，这为其提供了良好的吸附平台。通过改性方法引入金属离子，可以增加生物炭表面的官能团，进一步提高吸附能力和选择性。金属离子可以与目标污染物发生络合反应，形成稳定的吸附物质，从而提高生物炭对有机物、重金属离子和其他污染物的吸附效率。

32、本发明提出的改性美人蕉生物炭在环境治理、土壤修复和农业生产等领域具有广泛的应用前景。在水处理领域，改性生物炭可用于去除水中的有机物、重金属离子和其他污染物。在土壤修复方面，改性生物炭可以提供植物所需的养分，改善土壤结构和保水能力。在农业生产中，改性美人蕉生物炭可以作为土壤改良剂或添加剂，提高土壤肥力、作物产量和质量。

33、综上所述，本发明提出的改性美人蕉生物炭在环境治理、土壤修复、水处理和农业生产等领域中具有重要的应用潜力和推动作用。

34、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。