一种固碳降污并提高农田产量的方法

本发明属于农业生态技术与纳米科技领域，具体涉及一种结合碳纳米管技术利用外来入侵植物固碳降污并提高农田产量的方法。该方法旨在解决环境污染和气候变化问题，同时提高农业生产效率和可持续性。此方法特别关注入侵植物在农业生态系统中的应用，并结合纳米技术创新，以实现土壤质量改善、温室气体减排和农作物产量增加。

背景技术：

1、农业生产一直是人类社会中至关重要的一环，但传统的农业实践经常伴随着一系列环境问题，如土壤侵蚀、化肥和农药污染、温室气体排放以及水资源浪费。这些问题对全球生态系统和气候造成了负面影响，因此，寻找可持续的农业生产方式已成为当今的迫切任务。

2、同时，外来入侵植物也是一个全球性的生态问题。这些植物种类通常非本地的，具有强大的适应性和竞争优势，会占用土地资源，挤占本地植物，影响生态平衡。许多入侵植物也会释放有害的化学物质，进一步损害环境。

3、入侵植物固碳是指植物通过光合作用，吸收空气中的h2o和co2，利用叶绿素和光照，将其转换为有机物和o2的过程。在固碳方面，入侵植物与本地植物相比可能存在一些潜在的优势，但也有限制和不确定性。以下是一些可能的因素：

4、（1）生长速率：入侵植物通常具有快速生长和繁殖的能力，可以迅速积累生物量。相比之下，某些本地植物可能生长较慢，导致碳固定速率较低。

5、（2）资源利用效率：入侵植物可能具有较高的资源利用效率，包括光合作用和气孔调节效率。它们可能能够更有效地利用光能和水分，从而提高碳固定效率。

6、（3）营养竞争：入侵植物通常具有强大的竞争力，能够与本地植物竞争土壤中的营养资源。它们可能更能够获取所需的养分，从而增加碳固定能力。

7、（4）适应性和扩散能力：入侵植物具有较强的适应性，可以在多种环境条件下生存和繁殖。它们能够迅速扩展种群范围，从而增加碳固定的潜力。

8、植物能从环境吸收化学农药并在组织中转运。在污染土壤中，根系附近的农药降解得到根系底物的支持，这些底物促进微生物生长和活跃，增加细菌和真菌种群。这些微生物提供有益基因，对农药生物降解至关重要。入侵植物，因其较大的地上部分和根系，可扩大对土壤和水体污染物的接触面积。它们的根系还增加土壤渗透性，促进水分和污染物流动，降低土壤和水体中的污染物浓度。入侵植物能吸附和降解农药残留：根系和表面结构吸附农药分子，减少土壤中的运移和残留；代谢酶活性则将农药转化为低毒性代谢产物。但降解能力受植物种类、生理状态和环境条件影响。。

9、入侵植物粉末用于农田可以显著改善土壤质量和提升作物产量。这主要是因为入侵植物富含营养元素如氮、磷、钾及有机物质，对土壤和作物生长有益。这些粉末能增加土壤的有机物含量，改善其结构，从而提高土壤的保水保肥能力。同时，这些有机物质可促进土壤微生物活动，改善土壤健康和养分循环。入侵植物粉末还可能含有抑制病原微生物和害虫的化合物，降低病虫害的发生。此外，这些粉末中的化感物质可以抑制杂草生长，减少农田中杂草的数量。总的来说，入侵植物粉末是一种多功能的土壤改良剂，既能提高土壤质量，又能增强作物对环境压力的抵抗力，提高农田的整体产量和生态可持续性。

10、使用入侵植物粉末混合碳纳管以实现固碳增产。碳纳管（carbon nanotube，简称cnt）是一种由碳原子构成的纳米材料具有较大的比表面积和高度的吸附能力，能够吸附二氧化碳等温室气体，并将其固定在材料表面上。通过将碳纳管与入侵植物粉末混合，可以提高固碳的效率和容量。将入侵植物粉末与碳纳米管混合形成的土壤改良剂，不仅能有效增加土壤有机质和固碳能力，还能提高农田产量。这种混合物通过增强土壤肥力和作物生长支持能力，同时吸附土壤中的二氧化碳，减少温室气体排放。此外，它还利用入侵植物的污染物吸附能力和养分提供能力，转化入侵植物为有益资源，减轻其对生态的影响。这种方法有助于应对气候变化挑战，提高土壤肥力和农田产量。

11、然而，目前碳纳米管在农业生产中的应用还相对有限。因此，结合碳纳米管技术和外来入侵植物管理方法，以实现固碳、降污和提高农田产量的目标，具有重要的研究和实践意义。这种方法有以下潜在优势：

12、碳纳米管的高比表面积和吸附能力可以帮助吸附和降解污染物，减轻土壤污染问题。

13、外来入侵植物可以提供土壤改良物质，增加有机质含量，改善土壤结构和水分保持能力。

14、外来入侵植物可以降低农田内的生物多样性，减少农业害虫和病害的传播。

15、这种方法还可以通过固定碳来减少温室气体排放，有助于应对气候变化问题。

16、本发明提出了一种结合碳纳米管技术和外来入侵植物的方法，旨在提高土壤质量、增加农田产量，并实现固碳及降低环境污染。通过新型催化剂制备高效碳纳米管，并将其与经过特殊处理的入侵植物粉末混合，创造出一种新型土壤改良剂。这种改良剂结合了纳米技术的先进性和生态农业的可持续性，为环境保护和农业生产提供了一种创新解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的碳纳米管制作成本高难以作为催化剂应用于农田中的问题，发明一种碳纳米管制备方法及其与入侵植物粉末的混合技术，旨在提高农田土壤的肥力和作物产量，同时实现环境的固碳和污染降低。碳纳米管的制备：传统的碳纳米管制备方法通常面临成本高、能耗大、环境污染等问题。为了解决这些挑战，本发明提出了一种新型的碳纳米管合成方法，旨在提高生产效率，降低成本，并减少对环境的影响。新型催化剂的开发与应用：本发明采用了一种新型催化剂，该催化剂由低成本、环境友好的材料组成，能够在更低的温度和压力下有效促进碳纳米管的生长。与传统催化剂相比，这种新型催化剂显著提高了反应的选择性和产率。本发明选择镍（ni）作为催化剂的金属中心。这些金属因其在促进碳纳米管生长方面的催化活性而被广泛研究。同时，镍相对经济，有助于降低催化剂的整体成本。

2、本发明的技术方案是：

3、一种固碳降污并提高农田产量的方法，其特征是：

4、首先，利用镍盐制备催化剂；

5、其次，将催化剂分散于氧化铝载体上，用于碳纳米管的合成；催化剂的用量为反应物的2%；

6、第三，将碳纳米管与植物粉末置合混合容器中搅拌混合至少30分钟得到土壤改良剂；

7、第四，将农田深翻的同时撒入土壤改良剂，土壤改良剂的用量为每亩100-500克。

8、所述催化剂制备步骤为：

9、选择合适的镍源;

10、原料选择：选择高纯度的镍（ii）氯化物（nicl2）；

11、纯度要求：确保所选镍盐纯度高（99%以上），以避免引入杂质影响催化剂的性能。

12、催化剂的合成；

13、溶液制备：在甲醇溶剂中溶解镍盐。精确称量所需量的镍（ii）氯化物（nicl2），在最终催化剂中，镍的质量占比为10%，加入到选定的溶剂中。镍（ii）氯化物的分子式为nicl2，其分子量约为129.6 g/mol（镍的原子量约为58.7，氯的原子量约为35.45）。为制备1000克的镍基催化剂，需要100克的镍（ii）氯化物（nicl2）。这相当于约0.772摩尔的nicl2。使用磁力搅拌器搅拌溶液，直至完全溶解。

14、添加有机连接器：选择苯二甲酸作为有机连接器。苯二甲酸是一种常用的有机连接器，用于合成多种金属－有机骨架（mof）。确定苯二甲酸与镍盐（nicl2）的适当摩尔比1:1。在适当的溶剂中（如乙醇或去离子水）溶解所需量的苯二甲酸，以形成饱和溶液。缓慢添加：在搅拌条件下，缓慢将苯二甲酸溶液加入到已经溶解了nicl2的溶液中。搅拌速度应保持均匀，以避免形成沉淀或产生不均匀的混合物。持续搅拌：添加完毕后，继续搅拌一段时间，至少30分钟，以确保两种溶液完全混合。使用ph计测量混合溶液的ph值。通过缓慢加入稀释的酸（如盐酸）或碱（如氢氧化钠）溶液来实现。ph的调整取决于所需mof的最佳合成条件。

15、监控反应：在ph调节过程中，密切监控溶液的变化，确保不超过所需的ph范围。对于镍（ii）氯化物（nicl2）和苯二甲酸制备mof的情况，ph值的理想范围通常是在中性到微碱性，大约在ph 7到8。

16、热处理：首先，将热处理温度设定在100℃至200℃之间，这个温度范围适合于促进镍离子与有机连接器的反应，同时避免分解有机组分。使用油浴、砂浴或电热板作为加热源，确保设备能够提供稳定和均匀的温度。反应混合物应放置在能够承受预定温度的容器中，如高压反应釜或密封的玻璃烧瓶，以防蒸发和污染。热处理的持续时间通常取决于特定的化学物质和所需mof结构，热处理时间24小时。在此期间，定期检查反应混合物，观察颜色变化或沉淀物的形成，以评估反应进展。完成热处理后，让反应混合物自然冷却到室温。

17、过滤和洗涤：一旦热处理完成，首先需要让混合物冷却至室温。冷却完成后，使用10-20㎛孔径的滤纸和漏斗进行真空过滤，以有效地从溶液中分离出固体产物。这一步骤是为了从反应混合物中回收催化剂，并去除未反应的原料和副产品。接下来，对分离出的固体进行洗涤，以清除可能附着在其表面的未反应的原料、副产品或溶剂残留。洗涤通常使用去离子水溶剂进行。轻轻倒入溶剂，然后通过真空过滤去除洗涤液。这一过程可能需要重复数次，直到洗出的液体呈中性或直至确信所有未反应的原料和副产品已被去除。最后，将洗涤后的固体在干燥器中干燥，以去除残余的溶剂。

18、干燥：完成过滤和洗涤步骤后，将得到的湿固体产物放置于干燥器中进行干燥。干燥器的选择应根据固体产物的性质。常见的选择包括真空干燥器或普通热风干燥器。将干燥器的温度设定在一个适中的范围内，在40℃到80℃之间，以避免过度加热导致催化剂结构损坏。在干燥过程中，定期检查固体产物的干燥情况，避免过度干燥。在真空干燥器中，通过抽真空可以加速溶剂的蒸发，同时减少固体对空气中湿气的吸收。干燥时间取决于固体的量和干燥器的性能，一般需要24小时。干燥完成后，关闭干燥器，让固体在室温下冷却，然后储存于密闭容器中，避免吸湿。

19、催化剂的激活；

20、还原处理：首先，将已经干燥的镍基mof催化剂置于一个反应器中，并通入氢气作为还原剂。接着，反应器被加热至高温，温度控制在300℃。在这个温度下，氢气与mof中的镍反应，从而减少镍的氧化状态，增强其作为催化剂的活性。整个还原过程可能持续6小时甚至更长时间，以确保充分的还原反应。在还原处理后，催化剂需要氮气下冷却，以避免重新氧化。冷却后的催化剂应存放在密闭且干燥的环境中，以保持其活性。

21、使用催化剂；

22、载体的选择：在选择氧化铝载体后，将粉末状的镍基mof均匀地分散到载体表面。这一步骤通常通过浸渍法进行，即将催化剂的溶液与载体材料混合，然后进行干燥和可能的热处理。在这个过程中，确保催化剂均匀分布于载体材料上，以防止聚集现象发生。最后，制备好的催化剂－载体复合物可以用于各种化学反应。在反应过程中，催化剂的活性和选择性得到了载体的支持和增强，实现了更高的反应效率和稳定性。

23、催化剂的用量：首先，基于实验数据，确定催化剂的最佳浓度。这个比例是2%，即在每100克反应物中需要2克催化剂。例如，计划生产1公斤（1000克）的碳纳米管，根据2%的最佳浓度，需要20克催化剂。这通过公式“催化剂用量 = 总反应物质量 × 最佳催化剂浓度”来计算。在反应混合物的制备过程中，确保均匀地加入这20克催化剂，以实现在整个反应体系中的均匀分布。催化剂的均匀分布是实现碳纳米管均匀生长和高质量的关键因素，直接影响最终产物的效率和品质。

24、表1 不同催化剂浓度下合成碳纳米管的实验结果

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26、反应条件优化：合成温度设置在800℃，以适应所用催化剂的活性和碳源的分解。此温度范围有助于实现高效的碳原子沉积和碳纳米管的有序生长。压力的调整旨在优化碳源气体的供给，确保其在反应器中的均匀分布，从而促进均一碳纳米管的形成。在选择碳源方面，根据所需碳纳米管的特性和催化剂的性质，常用的碳源如甲烷、乙炔和一氧化碳等。最后，整个反应过程在控制的气氛中进行，在氩气中，以防止催化剂的氧化和避免不必要的副反应，有时在特定条件下还可引入少量氢气，以促进碳源的有效分解和碳纳米管的生长。

27、碳纳米管与植物粉末的混合；

28、材料准备：首先，用加拿大一枝黄花（或其他类似的入侵植物，如牛蒡、蒲公英、灰莉、苦苣菜、水蓼等）经过仔细干燥，以除去多余水分。随后，干燥的植物材料通过研磨设备精细磨碎，确保粉末的粒径控制在50至100㎛之间，这个粒径范围是为了优化与碳纳米管的混合和保持土壤的透气性。研磨后的粉末经过筛选，以确保粒度的一致性和质量的均衡。所有处理步骤均在避免过热和污染的条件下进行，以保持粉末的有机质完整性。最后，合格的粉末在干燥、避光的环境中储存，以备后续与碳纳米管混合使用。通过这一系列精细化的处理步骤，确保了加拿大一枝黄花粉末的质量，为有效的土壤改良和农业可持续性提供支持。

29、混合比例：我们通过详细的实验研究，精确确定了碳纳米管与植物粉末的最佳混合比例，以实现最大化的土壤改良效果。经过一系列实验，我们发现1:4的混合比例是最有效的，即每一部分碳纳米管与四部分入侵植物粉末混合。例如，如果我们选择使用100克的高纯度碳纳米管，这些碳纳米管通常具有高比表面积和强大的吸附能力，可以有效地吸附土壤中的污染物。对于植物粉末，我们选择了加拿大一枝黄花，这是一种在多个地区广泛分布的入侵植物，不仅易于获取，而且在处理过程中产生的粉末富含有机质，有助于改善土壤结构和增加土壤中的有机物含量。

30、混合工艺：首先，精确称量所需量的碳纳米管和入侵植物粉末。以1：4的比例进行混合，意味着每100克的碳纳米管需要配合400克的植物粉末。这种比例是经过实验确定的，旨在最大化两种材料的相互作用和效益。将称量好的材料放入专用的混合器中。对于实验室规模的合成，可以使用玻璃容器和机械搅拌器。对于较大规模的生产，建议使用工业级混合机，如v型或双锥型混合机，这些机型能够提供更均匀和高效的混合。在混合过程中，使用适当的搅拌速度进行至少30分钟，以确保碳纳米管和植物粉末之间的完全和均匀混合。适当的搅拌速度和时间有助于避免碳纳米管的团聚现象，确保其在植物粉末中均匀分散。在混合过程中，定期检查混合物的均匀性。如果发现任何团块或不均匀分布，应增加搅拌时间或调整搅拌速度。完成混合后，应立即将混合物转移到储存容器中，避免长时间暴露于空气中以防材料性能下降。通过这种精细化的混合工艺，我们能够确保制备出的土壤改良剂具有良好的一致性和均匀性，使其在农田应用中能够达到最佳效果，同时确保环境安全。