[发明专利]一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法及装置

说明书

本发明公开了一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法及装置，该方法首先将空气通入射流等离子阵列，产生等离子射流，等离子射流与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；然后将活化水与土壤和牲畜排泄物的混合物反应，反应后的产物和含有NOx的尾气搅拌混合，将含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中。所述装置包括射流等离子阵列、混合池、螺杆传送装置；所述射流等离子阵列用于和水反应产生等离子活化水，所述混合池将土壤和牲畜排泄物与等离子活化水混合反应，所述螺杆传送装置用于将混合池中的反应产物和含有NOx的尾气搅拌，进一步进行固氮。本发明工艺简单、成本低、环境友好，含氮物质直接固定在土壤中。

技术领域

本发明涉及土壤固氮技术领域，尤其涉及一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法。

背景技术

19世纪以来，哈柏法合成氨作为人工固氮的里程碑技术，极大地促进了全世界农业的发展，但其反应条件严苛、能源消耗巨大和大量的温室气体排放等缺点在环境资源问题日益严峻的今天日益凸显。新型、清洁、低能耗的新型固氮方式亟待开发以满足可持续工农业生产的需求。等离子体分为高温等离子和低温等离子，低温等离子一般指宏观温度在100000K以下的等离子体，低温等离子技术能够很好地兼容太阳能、风能等新能源，同时又能够在常温、常压条件下高效活化空气中的氮气分子，实现固氮。目前，低温等离子制备NOx及低温等离子活化水相关课题已得到了广泛地研究，操作灵活方便、较高的生产效率和近乎零碳排放是其主要优势。因此，低温等离子固氮技术拥有广阔的前景，有潜力成为新一代主流固氮方式之一。

另一方面，基于人工固氮合成的氨大部分被应用于农业肥料，这是因为自然界中的植物自身的固氮(固氮菌)，以及来源于雨水和腐败的动植物和排泄物的氮肥远远满足不了当今的农业，一般需施以人工氮肥以补充土壤肥力。大多数植物需要从土壤中吸收足够的含氮物质来保证自身的生理活动，进而维持生物圈的氮需求。但事实上，自然界中的可利用氮元素流失严重，其总量远远超过了人类的施肥量(120Tg)，流失的方向为水体和空气，其中，流失向空气中的氮存在形式一般为NH₃，这是因为土壤中大量存在的NH₄⁺等物质不稳定，而蛋白质腐败时也会释放NH₃。据统计，每年土壤中流失的可利用氮元素为120Tg，而人类行为(废弃食物，人类及牲畜排泄物)导致的氮流失也达到了54Tg，若能够将这些可能流失的含氮物质固定在土壤中，将大幅减轻农业中的化肥需求，也从源头处缓减基于哈柏法引起的能源环境问题。

综上所述，将开发新型可持续的人工固氮技术，与回收土壤中流失氮肥的流失进行耦合，将大幅提高固氮的效率和经济性，也有效实现全球氮循环的健康、有序发展。为此，本发明专利基于低温等离子空气处理土壤，实现双重固氮的目标。其原理如下：低温等离子在非平衡态下，利用振动激发的方式活化氮气分子，同时反应活性高的氧气分子在等离子体中很容易转化为高能态活性粒子，这些活性粒子会与振动态氮气分子进行反应，从而实现氮氮三键的打破，生成具有反应活性的、可被生物利用的含氮物质。以空气载气为例，等离子体中能够生成高浓度的NOx气体(1000-10000ppm左右，实际浓度与等离子体类型和输入能量有关)，并产生含有NO₂^-、NO₃^-、H⁺等物质的等离子活化水。采用等离子活化水对土壤和牲畜排泄物进行处理，能够在固定可能挥发的NH₃的同时，向其中加入由等离子体“活化”的氮元素，主要反应如下：

NH₃+HNO₃→NH₄NO₃