一種生物質炭土壤重金屬修復劑及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于重金屬污染土壤改良劑技術領域，具體涉及一種生物質炭土壤重金屬 修復劑及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 近幾年，生物質炭化是生物質利用轉化技術的研究熱點之一。生物質炭化是指生 物質（如農林廢棄物、畜禽糞便等)在缺氧和一定溫度條件下，以生物質炭為目標產物的技 術。生物質炭主要由芳香烴和單質碳或具有石墨結構的碳組成，含有60%以上的碳元素，還 包括H、0、N、S及少量的微量元素。生物質炭孔隙結構發達，比表面積大，帶負電荷多，高度芳 香化，具有很強的吸附特性和高度的穩定性。
[0003] 基于生物質炭的特性和生態循環農業的思想，諸多學者提出生物質炭還田的思 路，因此炭還田對土壤肥力、理化性能和土壤重金屬吸附的影響日益受到關注，成為研究熱 點。
[0004] 諸多研究考察了生物質炭還田的作用效果，取得了初步進展。
[0005] 首先，生物質炭中含有大量植物所需的營養元素，適用于貧瘠土壤肥力改良。生物 質炭除C含量較高外，N、P、K、Ca和Mg的含量也較高，其中生物質炭的養分含量高于農林生物 質炭，完全可以作為替代肥料使用。
[0006] 其次，生物質炭可改變土壤的物理性狀和結構，促進土壤生物化學與物理化學的 交互作用而提高土壤肥力，從而對作物生長起到積極的促進作用。生物質炭還田后可降低 粘質土壤容重、硬度，從而改善土壤質地及耕作性能;還可促進生物化學與物理化學的交互 作用而提高土壤肥力，間接地提高作物養分利用效率，從而對作物生長起到積極的促進作 用。生物質炭還田的土壤微生物生物量和有機碳含量可顯著提高；土壤中施入生物質炭能 增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收 面積，從而達到爭產效果。
[0007] 此外，生物質炭對土壤重金屬(鉛、鎘、銅等）具有顯著的吸附作用，降低金屬的有 效性。有研究表明，棉桿炭處理的土壤對鎘具有顯著的吸附作用，隨著棉桿炭加入量的增 加，土壤的pH值變大，使H+的競爭能力減弱，此時重金屬則以難溶的氫氧化物、碳酸化物或 磷酸鹽的形式存在。生物質炭中羧酸等官能團，能促使重金屬在土壤中被固定下來。
[0008] 畜禽糞便和農林廢棄物是兩大類生物質炭原料。目前，我國以農作物秸桿為原材 料的生物質炭的制備和應用研究較多，研究生物質炭的制備和應用較少。與農林生物質相 比，畜禽糞便與季節關系不大，養殖場規模化利于糞便集中利用。Keri等人研究指出動物糞 便的熱解能制備出呈堿性、含大量穩定芳香族結構及豐富無機礦物的生物質炭，且這些生 物質炭濃縮了非揮發的礦物質如P、K，提高土壤的養分和保水性。如能將畜禽糞便的能量高 效充分地利用起來轉換成高品位的生物質炭等，對實現畜牧業可持續發展，緩解日益嚴重 的溫室效應有著特殊的意義。
【發明內容】
[0009]為了克服現有技術的不足和缺點，本發明的首要目的在于提供一種生物質炭土壤 重金屬修復劑的制備方法。
[0010]本發明的另一目的在于提供上述制備方法制備得到的生物質炭土壤重金屬修復 劑。
[0011] 本發明的再一目的在于提供上述生物質炭土壤重金屬修復劑的應用。
[0012] 本發明的目的通過下述技術方案實現：
[0013] 一種生物質炭土壤重金屬修復劑的制備方法，包含如下步驟：
[0014] (1)將物料雞糞或油茶殼分別干燥，得到干燥后的雞糞或油茶殼；
[0015] (2)將步驟（1)干燥后的雞糞或油茶殼粉碎，然后加熱至450~550°C，保溫lh 土 5min，冷卻，得到生物質炭土壤重金屬修復劑，即雞奠炭土壤重金屬修復劑或油茶殼炭土壤 重金屬修復劑；
[0016] 步驟(1)中所述的干燥的溫度優選為40~65°C;
[0017] 步驟(1)中所述的干燥的時間優選為20~28h;
[0018] 步驟(1)中所述的干燥的時間進一步優選為24h;
[0019] 步驟(1)中所述的干燥后的雞糞的含水率為3.84~6.25% ;
[0020] 步驟(1)中所述的干燥后的油茶殼的含水率為7.54~8.23% ;
[0021] 步驟(2)中所述的雞糞或油茶殼粉碎后的顆粒不超過4mm長；
[0022 ]步驟(2)中所述的加熱的升溫速率為16~18 °C /min;
[0023] 步驟(2)中所述的生物質炭土壤重金屬修復劑包含如下按質量百分比計的水分、 揮發分、灰分、固定碳、C元素、Η元素、N元素、S元素和0元素： 雞糞炭土壤重金屬修復劑油茶殼炭土壤重金屬修復劑 水分 1.02 ~1.23% 6.68-7.24%
[0024] 揮發分 6.89~8.48 % 18.06~18.43% 灰分 78.49~81.60% 14川~丨4.53% 同 >、?? 碳 8.69-13.14% 52.14-60.34% C 37.42 ~44.23% 73.98 - 77.02% Η 0.78 ~0.93% 1.42 ~2.77%
[0025] Ν 2.92-4.82% l.i8~1.4% S 0.26 ~0.48% 0.35 ~0,6% Ο 49.54 ~58.62% 19別~21.47%
[0026] 上述制備方法中熱解溫度和保溫時間是比較關鍵的，對于最終的技術效果有較大 的影響，比如炭的結構、工業分析、元素分析有影響；
[0027]所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在土壤改良領域中的應用；
[0028] 所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在土壤改良領域中的應用，包括生物質炭土壤 重金屬修復劑在盆栽土壤中的應用和生物質炭土壤重金屬修復劑在大田土壤中的應用；
[0029] 所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在盆栽土壤中的應用，包含如下步驟：
[0030]采用盆栽種植，以炭土比例為20~110g/kg標準在土壤中施入生物質炭土壤重金 屬修復劑，即每千克干土加20g~110g生物質炭土壤重金屬修復劑；
[0031] 所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在盆栽土壤中的應用，優選包含如下步驟：
[0032] 將風干后的盆栽土壤全部過10目篩，每盆裝土8.6kg(含水量12.8%，折合干土重 7.5kg)，將生物質炭土壤重金屬修復劑按炭土比例為20~110g/kg標準混入土壤，并定期補 水，陳化14~30天后，種植植物；
[0033]所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在大田土壤中的應用，包含如下步驟：
[0034]當施作土壤耕作層(表層)厚為0.30m，一畝地施以0.48t~2.64t的生物質炭土壤 重金屬修復劑；
[0035]所述的生物質炭土壤重金屬修復劑在大田土壤中的應用，優選包含如下步驟： [0036] -畝耕地面積為667m2,農作物耕作層厚0.30m，風干土壤容重為1.2t/m 3,經計算一 畝地需施肥風干土壤重量為24t，對種植地塊施以炭土比例為20~110g/kg的生物質炭土壤 重金屬修復劑，一畝地施以〇. 48~2.64t的生物質炭土壤重金屬修復劑;并定期補水，陳化 14~30天后，種植作物；
[0037] 本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：
[0038] (1)本項目選取生物質炭原料之一雞糞，資源總量巨大，但其資源化利用技術相對 匱乏。廣東省養殖業雞糞年產生量近1000萬t，資源化、特別是快速化處理技術匱乏，能源化 利用率僅為5 %~10 %，絕大多數未經處理直接排入環境，造成水體富營養化、污染大氣、疾 病傳播，也直接或間接污染土壤、毒害農作物。畜禽糞便的熱解制備生物質炭能提高畜禽糞 便的經濟效益，同時部分解決了養殖業廢棄物的利用問題。
[0039] (2)本發明的生物質炭重金屬土壤改良劑抑制土壤中重金屬的生物有效性，減少 作物對土壤重金屬的吸收量，并且營養物質豐富，營養元素釋放協調持久，肥料養分利用效 率高，可有效地改良和培肥土壤，提高肥料利用率，增加土壤有機質含量，提高土壤保水保 肥能力。
【附圖說明】
[0040]圖1是雞糞炭土壤重金屬修復劑和油茶殼炭土壤重金屬修復劑的SEM形態圖；其 中，CMC:雞奠炭土壤重金屬修復劑;C00SC:油茶殼炭土壤重金屬修復劑。
[0041 ]圖2是雞糞炭土壤重金屬修復劑的紅外光譜圖。
[0042]圖3是油茶殼炭土壤重金屬修復劑的紅外光譜圖。
[0043]圖4是雞糞炭土壤重金屬修復劑與銅離子反應前后的XRD圖。
[0044]圖5是油茶殼炭土壤重金屬修復劑與銅離子反應前后的XRD圖。
[0045] 圖6是不同含量的CMC對Cu污染土壤重金屬形態影響的結果分析圖，其中，EX:酸可 交換態（exchangeable) ;FM0:鐵猛氧化物結合態(bound to Fe and Mn oxide) ;0M:有機物 結合態（bound to organic matter) ;RES:殘渣態（residual) 〇
[0046] 圖7是不同含量的C00SC對Cu污染土壤重金屬形態影響的結果分析圖；其中，EX:酸 可交換態（exchangeable) ;FM0:鐵猛氧化物結合態（bound to Fe and Mn oxide) ;0M:有機