一种基于硅酸钠改性的蓝藻生物炭及其在修复土壤Cd污染和降低温室气体排放中的应用

本发明涉及一种基于硅酸钠改性的蓝藻生物炭及其在修复土壤cd污染和降低温室气体排放中的应用，属于功能材料、土壤修复领域。

背景技术：

1、

2、利用生物炭可以实现土壤cd污染原位钝化修复。与木质纤维素生物炭不同，藻类生物炭的主要优势在于：(1)藻类生物炭具有大量的特定官能团，增强了对污染物的吸附能力；(2)藻类生物炭有较高的离子交换能力，可以提高吸附效率；(3)藻类生物炭富含p、k、ca、mg等无机养分，可以为土壤和作物提供养分效益。

3、

4、利用蓝藻制备生物炭，实现蓝藻资源化的同时，目前主要用于废水中重金属的处理，在土壤重金属修复方面很少，如专利cn109957408a中表明蓝藻生物炭能吸附土壤、水体中的重金属，属于一种理想的改良剂和吸附剂。然而，与原始生物炭相比，大量研究表明改性的生物炭具有更高的吸附性能和修复cd污染土壤能力，如专利cn111303900a中所述农/工业废弃物(生物燃气副产品、椰壳、花生壳和水稻壳)经碱性添加物cao与mgo改性后，可使蔬菜地土壤有效态cd进一步下降5.12％-8.93％。针对蓝藻生物炭，改性目前主要包括koh改性、镁改性、铁改性，经过改性后蓝藻生物炭可更高效修复水体中的重金属和土壤中有机污染物，目前尚无基于硅酸钠改性的蓝藻生物炭以及将其用于修复土壤cd污染相关报道。

5、生物炭在修复土壤重金属污染的同时，可以减缓温室气体的排放；如专利cn111303900a中提及农/工业废弃物(生物燃气副产品、椰壳、花生壳和水稻壳)经碱性添加物cao与mgo改性后，修复蔬菜地土壤cd污染同时可以减缓温室气体排放；专利cn115304063a中提供了一种降低温室气体排放的生物炭配方及使用方法，用木屑、稻壳、花生壳、棉壳及锯末进行组配制备生物炭，可用于盆栽作物温室的培养，降低温室气体的排放。与未改性生物炭相比，改性生物炭可以进一步降低(人工)湿地生态系统、土壤填埋层、石灰土温室气体(ch4和/或n2o)的减排。与未改性生物炭相比，铁改性生物炭可使堆肥过程中ch4排放降低9.4％，n2o排放降低11.2％，还可使土壤中短期co2的释放率降低(cn110217772a)；镁改性竹屑生物炭可使土壤中co2排放量降低9.21％。

6、但是，蔬菜地属于旱地土壤，温室气体主要关注n2o、co2，而非(人工)湿地生态系统、土壤填埋层等的ch4和/或n2o。因此，开发针对性高效改性生物炭具有重要意义，且基于硅酸钠改性的蓝藻生物炭减缓蔬菜地温室气体排放尚无相关案例。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、目前并未有文献提及如何高效改性蓝藻生物炭使得其能用于减缓蔬菜地温室气体排放和修复土壤cd污染。

3、[技术方案]

4、为了解决上述问题，本发明提供了一种采用硅酸钠改性蓝藻生物炭制备得到了硅酸钠改性蓝藻生物炭材料，之后将其用于减缓蔬菜地温室气体排放和修复土壤cd污染；和已报道的蓝藻生物炭相比，本发明制备的硅酸钠改性蓝藻生物炭材料的吸附能力更高，修复cd污染土壤、降低n2o、co2的排放效果更好。

5、本发明的第一个目的是提供一种制备硅酸钠改性蓝藻生物炭的方法，包括如下步骤：

6、(1)将蓝藻干燥、研磨、过筛，得到蓝藻粉；

7、(2)将蓝藻粉和na2sio3·9h2o按照质量比1：1混合，室温浸渍搅拌，混合均匀；之后进行离心、干燥，得到样品；

8、(3)将样品在氮气保护中，在500℃下恒温碳化2h；之后洗涤、干燥，得到硅酸钠改性蓝藻生物炭。

9、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的蓝藻取自太湖。

10、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的干燥是在室外风干后放入烘箱中105℃干燥12h；过筛是过2mm的筛。

11、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中室温浸渍搅拌的时间为1h，干燥是于烘箱中105℃干燥过夜。

12、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中升温至500℃的升温速率为5℃/min，氮气流的速率为150-180ml/min，洗涤是用水清洗3次，干燥是于烘箱中65℃干燥过夜。

13、本发明的第二个目的是本发明的方法制备得到的硅酸钠改性蓝藻生物炭。

14、在本发明的一种实施方式中，所述的硅酸钠改性蓝藻生物炭的比表面积为31.50m2/g，平均孔径为6.12nm，孔容为0.048cm3/g。

15、本发明的第三个目的是提供一种基于硅酸钠改性蓝藻生物炭修复土壤cd污染和降低蔬菜地温室气体排放的方法，所述的方法是将硅酸钠改性蓝藻生物炭和基肥混合之后施加于蔬菜种植前的土壤中。

16、在本发明的一种实施方式中，所述的硅酸钠改性蓝藻生物炭和基肥的质量比为1-5：100。

17、在本发明的一种实施方式中，所述的基肥包括尿素、kh2po4、k2so4中的一种或几种。

18、在本发明的一种实施方式中，所述的基肥在土壤中的浓度为100-500mg/kg。

19、在本发明的一种实施方式中，所述的蔬菜包括菠菜、小青菜、白菜中的一种或几种。

20、在本发明的一种实施方式中，所述的温室气体为n2o和co2。

21、在本发明的一种实施方式中，所述的修复土壤cd污染是基于硅酸钠改性蓝藻生物炭和cd形成cdsio3和cdco3沉淀。

22、在本发明的一种实施方式中，根据蔬菜的生长情况施加追肥，追肥包括尿素，追肥的添加量为70-90mg/kg。

23、本发明的第四个目的是本发明所述的硅酸钠改性蓝藻生物炭在农业领域的应用。

24、在本发明的一种实施方式中，所述的应用是用于修复土壤cd污染和固碳减排。

25、本发明的第五个目的是一种基于本发明所述的硅酸钠改性蓝藻生物炭去吸附废水中的镉离子的方法，所述的方法是将硅酸钠改性蓝藻生物炭放入含有镉离子的水中进行吸附。

26、在本发明的一种实施方式中，所述的吸附是在35℃、200rpm下吸附12h。

27、在本发明的一种实施方式中，所述的废水中镉离子的浓度为20-1000mg/l。

28、[有益效果]

29、(1)本发明制备的硅酸钠改性蓝藻生物炭合成方法简单，能耗和成本低，原料易得，产量高。

30、(2)本发明制备的硅酸钠改性蓝藻生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，比表面积为31.50m2/g，平均孔径为6.12nm，孔容为0.048cm3/g；富含含氧官能团，能提供更多的吸附位点，可以与cd形成cdsio3和cdco3沉淀，可以有效降低土壤中cd的迁移性。

31、(3)本发明制备的硅酸钠改性蓝藻生物炭对土壤中有效态cd钝化以及温室气体减排效果较好；与ck处理相比，采用5％(质量百分比)添加量下，蔬菜种植过程中土壤有效态cd降低88.7％～92.6％，co2、n2o排放量分别降低28.1％、23.9％。

32、(4)本发明制备的硅酸钠改性蓝藻生物炭对水溶液中cd(ⅱ)具有很好的吸附效果，最大吸附容量为333.95mg/g。