一种基于接枝共聚的壳聚糖改性生物炭保水复合材料的制备及应用

本发明涉及土壤修复保水领域，特别涉及一种高保水性能的壳聚糖改性蔗渣生物炭复合材料，可用于土壤保水修复。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，土壤污染环境问题日益突出，土壤修复亟待推进。其中，土质疏松、水分缺失和肥力不足导致土壤复垦复耕异常困难，对人类社会土壤资源的有效利用和自然生态环境保护带来严重的威胁。因此，寻找有效、稳定的土壤保水保肥方法十分必要。生物炭材料因具有比表面积大、多孔结构、表面基团丰富以及可改善土壤性质特点，已广泛用于制备炭基保水材料，但只经烧制得到的生物炭存在吸水、保水性能不足的问题。因此，研究开发高效、经济的改性生物炭成为当前的研究热点。壳聚糖(chitosan，cs)是氨基葡萄糖的直链多聚糖，壳聚糖分子链上分布很多氨基、羟基以及半缩醛形式的糖苷键，这些活性官能团能够发生水解、缩合及接枝共聚等反应。同时壳聚糖还具良好的吸附性、吸湿保湿性、成膜性、成纤性、低毒性等化学性质以及生物相容和降解性优良的生物学性质。据此，以接枝共聚法制得的壳聚糖改性生物炭复合材料在土壤保水保肥方面具有潜力。由于材料性能对原料种类有较高的依赖性，研究不同的原料与工艺参数对于复合生物炭材料稳定性和保水效果的影响，这对改良制备工艺以及其他接枝共聚材料性能优化提供了参考。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于接枝共聚法的壳聚糖改性生物炭保水复合材料的制备及应用。即采用单因素实验，其他控制因素不变，以生物炭原料、烧制温度、壳聚糖改性为单因素，对设计的工艺参数进行实际制备，将设计的材料工艺参数和对应的结构性能进行总结对比。一方面，可以研究不同因素下对材料保水性能的影响，另一方面，在探索改性生物炭保水复合材料新途径的同时，为优化接枝共聚工艺以及其他改性生物炭改良控性提供了参考。整个过程操作简单、成本低，优化筛选出来壳聚糖改性蔗渣生物复合材料对土壤具有高保水性、吸湿性特征，可作为一种很好的土壤保水材料。

2、作为本发明的一种优选技术方案，所述具体包括如下步骤：

3、(1)以限氧控温法制备生物炭，将干燥粉碎后的蔗渣或鸡粪原料分别压实填充于陶方舟中并置于马弗炉内，将炉温编程为以20℃/min的升温速率，在限氧条件下分别升温至300或500℃加热2h，待冷却至室温后得到黑色粉末，通过100目的筛网进行筛分，制得生物炭并保存于密封袋中备用，鸡粪和蔗渣生物炭分别标记为cmb和sbb；

4、(2)将0.5g壳聚糖(记为cs)溶解在30ml、质量分数为2.0%的乙酸溶液中；

5、(3) 将步骤(1)所得到的混合物以20 r/min搅拌且升温至70摄氏度，随后，加入0.08g的丙烯酰胺和12 ml丙烯酸，反应10分钟，之后加入0.3g过硫酸铵和0.75g生物炭，反应持续40分钟；

6、(4)在步骤(2)所得到的络合物中加入氢氧化钠溶液，调体系ph至中性，并冷却至室温，完成水解过程；

7、(5)将步骤(3)将所得凝胶状络合物置于99.70%乙醇中浸泡24h，以除去未反应的壳聚糖单体，然后用去离子水冲洗2次后抽滤，并在60°c下干燥。将干燥后复合物粉碎成直径小于60目的粉状；

8、(6)将上述制得的接枝共聚法改性生物炭应用于土壤保水试验；

9、(7)根据接触角、ft-ir表征手段及保水实验，筛选出制备工艺参数；

10、优选的，所述步骤(1)中所述生物炭制备加热温度为300或500℃、加热时间为2小时；所述生物炭制备原料为鸡粪生物炭或蔗渣生物炭；所述烧制得到生物炭筛分粒径为100目；

11、优选的，所述步骤(3)中生物炭:壳聚糖质量比为3:2。

技术特征：

1.一种基于接枝共聚的壳聚糖改性生物炭保水复合材料的制备发方法，其特征在于，具体步骤为：

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述生物炭制备加热温度为300或500℃、加热时间为2小时；所述生物炭制备原料为鸡粪生物炭或蔗渣生物炭；所述烧制得到生物炭筛分粒径为100目。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中生物炭:壳聚糖质量比为3:2。

4.如权利要求书1所述制备方法制备的聚糖改性生物炭复合材料的应用场景，其特征在于，所制备的壳聚糖改性生物炭复合材料作为土壤保水修复材料。

技术总结本发明公开了一种基于接枝共聚的壳聚糖改性生物炭保水复合材料的制备及应用。为了优化制备过程中主要因素对材料保水性能的影响，将壳聚糖用量、生物炭原料、生物炭烧制温度作为特征因素，通过接枝共聚法制备出4种复合炭材料，采用接触角、FT‑IR等技术对材料表面基团、疏水性和化学结构组成进行探讨，并进行复合材料‑土壤保水性能对比研究。结果表明，以蔗渣为原材料、500℃温度下制得生物炭，并用接枝共聚法、生物炭:壳聚糖质量比为3:2得到的复合生物炭材料，其可通过线型分子链、侧链基团、分子间作用力、氢键等相互作用，大大增强土壤对水分的持留吸收能力，优选出来的复合生物炭为土壤修复复垦提供了一种良好的保水材料。技术研发人员：舒小华,聂昌达,熊仕清,覃紫其,肖佳怡受保护的技术使用者：桂林理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18