一种蚯蚓改性生物炭及其制备方法和应用

1.本发明涉及土壤重金属去除与固化研究领域，尤其涉及一种蚯蚓改性生物炭及其制备方法和应用。


背景技术：

2.一方面，重金属是一种常见的污染物，其特点为易被生物吸收、富集、传递，进而发生生物放大，不易被移除，因此，重金属特别是铅、锌等有毒重金属被世界各国列为环境优先控制污染物。重金属污染已成为全球性的环境问题，近几年更成为中国民众高度关注的污染问题之一。我国是农业大国，农业生产是我国主要的经济产业之一，而土壤是农业生产不可或缺的基础，直接关系到农产品产出的优劣。随着全球经济的快速增长，工业“三废”排放量日益增多，一些工矿废弃物未经处理便进入农田或农业用水水源中，导致了农业生态环境的污染和破坏。
3.另一方面，农业发展中易产生大量的作物秸秆，这些废弃物通常得不到妥善处理，随意排放，严重污染周围的水土资源，影响人们正常的生产生活。农业废弃物的无害化处理、资源化利用，对农业的可持续发展具有十分重要的意义。目前，农业废弃物主要通过焚烧方式处理，不仅利用率低，而且对环境造成严重污染。
4.生物炭是在无氧或限氧条件下经高温热解产生的一类稳定的、高度芳香化的碳质材料，可吸附铅、锌等重金属，但其吸附能力有限，需要进行改性提高；目前，物理改性法和化学改性法是两种常用的生物炭改性技术，但物理改性法通常采用机械干磨的方式，存在着效率低、易产生生物炭固体粉尘等缺点；化学改性法通常采用强氧化或腐蚀性物质如浓硫酸、浓硝酸进行改性，对环境和生产者的健康具有一定风险，且多种生物炭在混合粉碎过程中需要到粉碎机，常见的粉碎机无法一次性将生物炭粉碎混合好，需要反复投放粉碎混合，不仅在操作过程中容易出错，还增加了操作者的劳动量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种蚯蚓改性生物炭及其制备方法和应用，以解决上述技术问题。
6.本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
7.一种蚯蚓改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
8.①
将原材料通过热解得到生物炭，所述原材料为农业生产过程中产生的玉米秸秆、稻壳和/或果木；苹果木在600-700℃的温度条件下热解炭化3-5h、玉米秸秆、稻壳在400-500℃的温度条件下热解炭化2-3h；
9.②
将3种生物炭按1:1:1比例混合，用粉碎机粉碎，经过1mm筛，去除杂质；
10.所述粉碎机包括底座，所述底座上方设置有粉碎排料机构，所述粉碎排料机构包括出料筒，所述出料筒内部固定连接有连接环，所述连接环顶端固定连接有进料机构，所述进料机构和粉碎排料机构皆通过动力机构进行运转。
11.③
按2.5％-7.5％添加比例向饲养蚯蚓的泡沫箱加入生物炭；每个分隔箱中大约400-600g饲养蚯蚓的饵料，50-100条蚯蚓，每1天投食100-200g牛粪。
12.④
将泡沫箱放在温度25
±
2℃，湿度50-65％，无光照的环境中培养，培养45-60d后，通过冷冻干燥机干燥、重力风选等步骤，即得蚯蚓改性法生物炭。
13.优选的，所述原料在限氧条件下以20℃/min的升温速率达到预设温度，所述预设温度果木为500-700℃、时间为3-5h，作物秸秆为400-500℃、时间2-3h；
14.优选的，所述出料筒底部贯穿设置有第三转杆，所述第三转杆与出料筒转动连接，所述第三转杆上转动连接有粉碎箱，所述第三转杆上固定连接有两个安装板，所述第三转杆上固定连接有第一齿轮，所述第一齿轮上啮合有两个第二齿轮，所述第二齿轮与安装板转动连接，两个所述安装板之间设置有转动辊，所述转动辊底端与安装板转动连接，所述转动辊上方设置有反向组件，所述反向组件与第二齿轮相连接。
15.优选的，所述粉碎箱内壁上固定连接有多个第一粉碎刀片，所述第一粉碎刀片和粉碎箱上皆贯穿开设有若干个排料孔，所述排料孔内安装有限位管。
16.优选的，所述转动辊上固定连接有多个第二粉碎刀片，所述第二粉碎刀片与第一粉碎刀片之间形成粉碎区。
17.优选的，所述进料机构包括粉碎管，所述粉碎管底端与连接环固定连接，所述粉碎管内壁上固定连接有多个辅助环，多个所述辅助环之间皆设置有若干个第三粉碎刀片，所述第三粉碎刀片与辅助环固定连接，所述粉碎管顶端固定连接有进料管，所述进料管上贯穿设置有连接盒，所述连接盒上转动连接有转动柱，所述转动柱上固定连接有安装柱，所述安装柱上固定连接有多个不同规格的固定盘，多个所述固定盘之间设置有第四粉碎刀片，所述第四粉碎刀片与固定盘固定连接。
18.优选的，所述步骤
④
中先将改性后的生物炭经冷冻干燥，保持微生物活性，重力风选，收集改性后的生物炭。
19.一种蚯蚓改性生物炭，由权利要求1-7任一项所述蚯蚓改性生物炭的制备方法制备而成。
20.优选的，所述的蚯蚓改性生物炭在环境保护方面的应用。
21.优选的，所述的蚯蚓改性生物炭应用于土壤重金属的去除或土壤重金属的吸附固化。
22.本发明的有益效果是：
23.1、本发明利用农业废弃物开发的蚯蚓改性生物炭制备方法，实现了农业废弃物的资源化再利用、变废为宝，改性后的生物炭可用于土壤重金属的去除或农田土壤中重金属的固定，具有环境友好性，促进农业的生态发展。
24.2、采用生物改性法，利用蚯蚓作为改性媒介，在蚯蚓养殖过程中，利用蚯蚓肠道的特殊环境，使得改性生物炭中含有较多的有益微生物，同时改性生物炭具有更多的含氧官能团，强化生物炭对重金属离子吸附固定的能力；该改性方法操作简便、易批量制备，所需设备和制备过程经济易实现；同时，生产过程与废弃物处理同时进行，更符合清洁生产的要求。
25.3、本发明与常规施用浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等强氧化或腐蚀性物质改性方法相比，本发明在改性生物炭中固定了有益微生物，既达到了生物炭高效氧化改性的目的，同
时又避免了高浓度强酸等化学改性带来的生产安全风险和废液不易处理的问题。
26.4、本发明采用生物改性与化学改性同时进行的方式，提高了吸附重金属的效率。
27.5、本发明通过电机、第三转杆使转动辊、第一粉碎刀片正向转动，转动辊、第一粉碎刀片正向转动的同时会在反向组件的作用下反向转动，从而转动辊、第一粉碎刀片会自主的带动生物炭转动，使生物炭转动到第一粉碎刀片、第二粉碎刀片之间的粉碎区，这样第一粉碎刀片、第二粉碎刀片不仅能聚集生物炭，还能借助挤压和刀片的破坏力进行多重粉碎生物炭，且借助排料孔，可配合刀片的挤压力将大小合格的生物炭挤压粉碎箱，实现排料。
28.6、本发明通过设置多个第四粉碎刀片、固定盘，第四粉碎刀片、固定盘形成塔式结构，且相邻两个固定盘之间的第四粉碎刀片的数量不同，从上到下依次安装，位于最上方的第四粉碎刀片数量最多，位于最下方的第四粉碎刀片数量最少，而与之相配合使用的粉碎管恰恰相反，粉碎管内部设置多个第三粉碎刀片从上往下数量依次上升，这样配合在生物炭投入时，相邻的第三粉碎刀片之间的间隙大，方便生物炭进入，更容易被第四粉碎刀片粉碎，而随着生物炭的变小，相邻的第三粉碎刀片之间的间隙也随之变下，也更加匹配生物炭进入，便于让第四粉碎刀片粉碎。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图；
30.图2为本发明的内部结构示意图；
31.图3为本发明粉碎排料机构示意图；
32.图4为图3的a部放大示意图；
33.图5为图3的b部放大示意图；
34.图6为本发明限位管与粉碎箱的连接示意图；
35.图7为本发明粉碎管与第三粉碎刀片的连接示意图；
36.图8为本发明固定盘与第四粉碎刀头的连接示意图。
37.附图标记：1、底座；2、支腿；3、第一锥形齿轮；4、第二锥形齿轮；5、第一转杆；6、电机；7、安装盒；8、第二转杆；9、出料筒；10、连接环；11、粉碎管；12、连接盒；13、进料管；14、第三锥形齿轮；15、转动辊；16、连接带；17、皮带轮；18、转动柱；19、安装柱；20、拨动杆；21、粉碎箱；22、安装板；23、第一齿轮；24、第三转杆；25、出料管；26、第一粉碎刀片；27、排料孔；28、固定盒；29、第二粉碎刀片；30、限位管；31、连接板；32、第二齿轮；33、第四锥形齿轮；34、第三粉碎刀片；35、辅助环；36、固定盘；37、第四粉碎刀片。
具体实施方式
38.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
39.下面结合附图描述本发明的具体实施例。
40.实施例1：
41.如图1-8所示，
42.①
将自然风干的原材料放入真空气氛炉中，本实施例中分别采用苹果木、玉米秸秆、水稻稻壳，在充氮气保证无氧的条件下，先按照20℃/min的速率升温至预设温度，其中苹果木在600-700℃的温度条件下热解炭化3-5h、玉米秸秆、稻壳在400-500℃的温度条件下热解炭化2-3h，待炉内温度自然冷却至室温后取出；
43.②
将步骤
①
制备的生物炭，按1:1:1比例混合，置于粉碎机中，本实施例中粉碎机转速3000转/分钟，粉碎5min，过1mm筛备用；
44.③
按0％、2.5％、5％、7.5％添加比例取步骤
②
中制备的生物炭，放入500g含50-100条蚯蚓的养殖箱中；
45.④
将步骤
③
中养殖箱放置在温度25
±
2℃、湿度50-65％的环境中培养，培养50d；
46.⑤
将步骤
④
中制备的改性生物炭，经过冷冻干燥机干燥，使用小型风机风选，利用重力风选原理，将饵料与生物炭分离，获得蚯蚓改性生物炭；
47.由于整个的实验操作有很多步骤，每个步骤都需要精细操作，从而为了减少操作者的操作步骤，设计了一种粉碎机，可更加高效的分离出合格的生物炭；
48.粉碎机包括底座1，底座1上方设置有粉碎排料机构，粉碎排料机构包括出料筒9，出料筒9内部固定连接有连接环10，连接环10顶端固定连接有进料机构，进料机构和粉碎排料机构皆通过动力机构进行运转；
49.底座1通过多个支腿2与出料筒9相连接；
50.动力机构包括安装盒7，安装盒7与底座1固定连接，安装盒7右侧固定连接有电机6，安装盒7上贯穿设置有第一转杆5，第一转杆5与安装盒7转动连接，第一转杆5上固定连接有多个第二锥形齿轮4，第三转杆24底端固定连接有第一锥形齿轮3，第一锥形齿轮3、第二锥形齿轮4啮合，第一转杆5穿过支腿2并与支腿2转动连接，第一转杆5与电机6的动力输出轴相连接，安装盒7顶端贯穿设置有第二转杆8，第二转杆8与安装盒7转动连接，第二转杆8底端固定连接有第三锥形齿轮14，第三锥形齿轮14与第二锥形齿轮4啮合，第二转杆8底端延伸至连接盒12内部，第二转杆8与连接盒12转动连接，第二转杆8与转动柱18上皆固定连接有皮带轮17，两个皮带轮17通过连接带16相连接；
51.进料机构包括粉碎管11，粉碎管11底端与连接环10固定连接，粉碎管11内壁上固定连接有多个辅助环35，多个辅助环35之间皆设置有若干个第三粉碎刀片34，第三粉碎刀片34与辅助环35固定连接，粉碎管11顶端固定连接有进料管13，进料管13上贯穿设置有连接盒12，连接盒12上转动连接有转动柱18，转动柱18上固定连接有安装柱19，安装柱19上固定连接有多个不同规格的固定盘36，多个固定盘36之间设置有第四粉碎刀片37，第四粉碎刀片37与固定盘36固定连接；
52.通过启动电机6，电机6带动第一转杆5转动，第一转杆5通过第二锥形齿轮4、第三锥形齿轮14带动第二转杆8转动，第二转杆8通过连接带16、皮带轮17带动转动柱18转动，转动柱18带动安装柱19转动，由于安装柱19上阶梯式的安装有不同大小的固定盘36，且相邻的两个固定盘36之间固定设置有第四粉碎刀片37，而每层的第四粉碎刀片37的安装数量并不是相同，按从上往下的顺序，每相邻的两个固定盘36之间的第四粉碎刀片37的数量逐渐减少，从而两个第四粉碎刀片37之间的缝隙将不断的变大，但与之相互配合使用的粉碎管11恰恰相反，粉碎管11内设置的多个第三粉碎刀片34按从上往下的顺序，每相邻的两个辅
助环35之间的第三粉碎刀片34的数量逐渐减少，这样配合在生物炭投入时，相邻的第三粉碎刀片34之间的间隙大，方便生物炭进入，更容易被第四粉碎刀片37粉碎，而随着生物炭的变小，相邻的第三粉碎刀片34之间的间隙也随之变小，也更加匹配生物炭进入，便于让第四粉碎刀片37粉碎；
53.通过多层第三粉碎刀片34、第四粉碎刀片37粉碎后的生物炭不仅能得到初步的粉碎混合，还会进入粉碎箱21进一步的粉碎；
54.出料筒9底部贯穿设置有第三转杆24，第三转杆24与出料筒9转动连接，第三转杆24上固定连接有两个安装板22，第三转杆24上固定连接有第一齿轮23，第一齿轮23上啮合有两个第二齿轮32，第二齿轮32与安装板22转动连接，两个安装板22之间设置有转动辊15，转动辊15底端与安装板22转动连接，转动辊15上方设置有反向组件，反向组件与第二齿轮32相连接；
55.反向组件包括固定盒28，固定盒28顶端固定连接有连接板31，连接板31与安装板22相连接，固定盒28上下左右四个面上皆贯穿设置有转轴，转轴上固定连接有第四锥形齿轮33，多个第四锥形齿轮33啮合，位于固定盒28底端的转轴与转动辊15固定连接，位于固定盒28顶端的转轴与第二齿轮32固定连接；
56.出料筒9左侧贯穿设置有出料管25，出料管25与出料筒9固定连接；由于出料筒9底端为倾斜形态，这样当合格的生物炭排出后，会在倾斜面的作用下直接的滑落到出料筒9处进行排放，方便进行收取；
57.第三转杆24上固定连接有拨动杆20；当生物炭被第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29挤压从排料孔27排出时，拨动杆20会不断的清扫粉碎箱21的外表面，从而可快速的将排料孔27排出的生物炭给清理出来，避免堆积。
58.出料筒9内壁上固定连接有多个第一粉碎刀片26，第一粉碎刀片26和出料筒9上皆贯穿开设有若干个排料孔27，排料孔27内安装有限位管30。
59.转动辊15上固定连接有多个第二粉碎刀片29，第二粉碎刀片29与第一粉碎刀片26之间形成粉碎区；
60.由于电机6带动第一转杆5转动时，第一转杆5会通过第一锥形齿轮3、第二锥形齿轮4带动第三转杆24转动，第三转杆24通过安装板22带动转动辊15、第二粉碎刀片29转动，且第三转杆24转动时还会带动第一齿轮23转动，第一齿轮23会带动第二齿轮32转动，第二齿轮32会带动第四锥形齿轮33转动，由于多个第四锥形齿轮33的联动，从而会使转动辊15反向自转，这样，转动辊15不仅能在第三转杆24的带动下沿着粉碎箱21内壁转动，还能进行自转；
61.由于转动辊15的自转，转动辊15会带动粉碎箱21内的生物炭转动，且转动辊15上的第二粉碎刀片29与粉碎箱21内壁上的第一粉碎刀片26之间有间隙，而在转动辊15自转的作用下，会源源不断的输送生物炭到第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29之间的间隙中，这样第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29本身具有刀口，在生物炭被输送过来时会与第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29的刀口相碰撞，达到粉碎效果，且由于第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29的缝隙固定大小，而生物炭的大小不定，这样被带动到第一粉碎刀片26、第二粉碎刀片29缝隙处的生物炭都会被挤压，挤压力可进一步的进行粉碎；
62.由于粉碎箱21、第一粉碎刀片26上皆开设有排料孔27，当第一粉碎刀片26、第二粉
碎刀片29挤压生物炭时，还会将符合标准的生物炭从而排料孔27排出，实现出料作用，而不合格的将不断的被粉碎，直接达标；
63.通过在排料孔27内部安装限位管30，借助限位管30可缩小排料孔27的尺寸，从而可排出的生物炭尺寸也将发生变化。
64.实施例2：
65.①
收集干燥后的玉米秸秆放入真空气氛炉中，在无氧条件下按20℃/min的速率升温至预设温度，并在500-600℃的温度条件下热解炭化1-2h，待炉内温度自然冷却至室温后取出；
66.②
将步骤
①
制备的生物炭，按1:1:1比例混合，置于粉碎机中，本实施例中粉碎机转速3000转/分钟，粉碎5min，经过1mm筛备用；
67.③
按0％、2.5％、5％、7.5％添加比例取步骤
②
中制备的生物炭，放入500g含50-100条蚯蚓的饵料泡沫箱；
68.④
将步骤
③
中泡沫箱放置在温度25
±
2℃、湿度60％的环境中培养，培养50d；
69.⑤
将步骤
④
中制备的改性生物炭，经过冷冻干燥机干燥，使用小型风机风选，利用重力风选原理，将饵料与生物炭分离，获得蚯蚓改性生物炭；
70.对土壤重金属铅、锌的吸附、固化实验
71.将制备的蚯蚓改性生物炭，按0％、2.5％、5％、7.5％添加比例施入重金属污染土壤中；
72.对上述制备生物炭进行检测，实验结果如表1、2所示：
73.表1性能测试结果：
[0074][0075]
表2蚯蚓改性生物炭对土壤锌含量的影响
[0076][0077]
由表1可以看出，本发明实施例1的蚯蚓改性生物炭对土壤中铅的吸附量分别为16.05％、19.42％和19.16％；对土壤中锌的吸附量分别为20.60％、23.33％和12.23％。本发明实施例2的蚯蚓改性生物炭对土壤中铅的吸附量分别为13.16％、33.00％和21.50％；对土壤中锌的吸附量分别为15.20％、31.45％和31.00％。同时，蚯蚓改性生物炭在5％添加比例下，对土壤中铅、锌重金属吸附效果最好。
[0078]
综上，本发明利用农业废弃物开发的蚯蚓改性生物炭制备方法实现了农业废弃物的资源化再利用、变废为宝，改性后的生物炭可用于土壤中重金属的去除或农田土壤中重金属的固定，具有环境友好性，促进农业和畜牧业的共同生态发展。
[0079]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。