改性莲蓬生物炭在改善土壤养分和温室气体减排中的应用

本发明涉及改性生物炭，具体涉及改性莲蓬生物炭在改善土壤养分和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更多的含氧官能团等。

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。生物炭的大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未改性生物炭存在吸附效果差、吸附选择性差以及生物炭加入土壤后对土壤的改良效果有待提升等问题。本研究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和mg是金属氯化物中最具成本效益的，而且fe和mg与其他金属相比更环保，对植物的毒性更小。

7、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、本发明的目的在于提供一种改性莲蓬生物炭在改善土壤养分和温室气体减排中的应用，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新方向。与未改性生物炭相比，改性生物炭具有更好的吸附能力、保肥保水性，被广泛用于土壤的修复与改良。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水废物减量化、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、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。本研究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，并将除磷后的材料用于改良土壤，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，促进微生物的生长，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，减少了温室气体的排放。

3、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：

4、一种改性莲蓬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，提高土壤内铵态氮(nh4+-n)、硝态氮(no3--n)、亚硝态氮(no2--n)的含量，提高土壤的速效磷、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，提高牧草全氮和全磷的含量。

6、一种改性莲蓬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、白三叶干重，对黑麦草、白三叶生长具有促进作用。

8、一种改性莲蓬生物炭在减少温室气体排放的应用。

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莲蓬生物炭的制备方法，包括以下步骤：

11、s1：选取预处理后的莲蓬制备莲蓬生物炭(nbc)；

12、s2：称取经步骤s1所得莲蓬生物炭(nbc)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，得到改性莲蓬生物炭。

14、进一步的，所述步骤s1中预处理具体包括：选取湿地中已干枯的莲蓬，去除其内部的莲子后剪切为小瓣，洗净后80℃烘干至恒重备用。

15、进一步的，所述步骤s1中莲蓬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：取适量预处理后的莲蓬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：莲蓬热解温度设置为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莲蓬生物炭(nbc)，装袋封存备用。

20、进一步的，所述金属氯化物溶液为fecl3溶液，浓度均为0.1mol/l，均按照1g/20ml与莲蓬生物炭混合。

21、mg改性生物炭的制备

22、t1.1：称取足量经预处理后的莲蓬于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：反应完成后将莲蓬取出烘干，放入真空管式炉中，在800℃条件下制备mg改性莲蓬生物炭。

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、改良土壤，提升肥力：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；生物炭还能通过其强烈的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。同时生物炭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：莲蓬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)，莲蓬的成本较低。通过使用莲蓬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。这些金属离子与莲蓬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：通过将莲蓬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、本发明提出的改性莲蓬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、本发明提出的改性莲蓬生物炭在环境治理、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，改性莲蓬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，本发明提出的改性莲蓬生物炭在环境治理、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。