[发明专利]一种农作物秸秆生物质炭及在土壤修复领域的应用

说明书

本发明提供了一种农作物秸秆生物质炭及在土壤修复领域的应用，属于设施农业作物废物利用模式与技术领域。本发明公开了一种设施农业作物秸秆生物质炭的制备方法及其对设施农业土壤残留农药处理的应用。利用设施农业作物秸秆不同温度条件下限氧热解制备生物质炭的方法包括如下步骤：将设施农业作物秸秆在密闭惰性气体气氛中200～700℃条件下以8～12℃/min的速率碳化60～180min，碳化后的黑色颗粒经过研磨、干燥等制得设施农业作物秸秆生物质炭。上述材料用于处理设施农业土壤中农药残留，通过HPLC‑MS质谱图分析发现，残留的目标农药几乎全部去除，操作简单，成本低廉，降解效果明显。

技术领域

本发明属于生物质炭材料技术领域，具体涉及一种农作物秸秆生物质炭的制备方法、所述方法制备的生物质炭及其作为过硫酸盐强化剂在降解土壤中残留农药方面的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

农药是一柄“双刃剑”，在防治病虫草害的同时，使用不当会对环境和人类身体健康构成潜在威胁。据研究报道，喷施的农药70％以上最终落入土壤中，在土壤中具有隐蔽性和难降解性，对设施农业土壤造成严重污染。设施农业作物由于全年不休耕，且在设施栽培条件下土壤中残留农药的降解速度减缓，导致农药在设施土壤中的持久性均远高于露地环境。典型设施农业生产区域随着种植经济效益要求的提高，不免施用大量农药，这会对人类、动植物健康构成了严重的潜在威胁。因此，探索一种可行的方法来处理土壤中残留的农药刻不容缓。

生物炭作为一种含有高度芳香化碳结构的物质，具有多孔结构和较大比表面积，且碳源来源丰富。生物炭通过疏水性分配作用、孔填充作用、氢键作用、p(n)-π与π-π电子供体-受体作用和离子架桥作用等对农药产生极强的吸附作用。生物炭能够诱导氧化剂在降解农药过程中的自由基和非自由基路径，研究表明，生物炭能够强化过硫酸盐产生高活性基团，在有机物污染土壤修复中的应用受到越来越多的关注。因此，运用设施农业作物秸秆生物质作为碳源，开发具有成本低廉、活性较高、富含表面官能团的生物质炭，并应用于处理设施农业土壤残留农药具有重要的应用价值。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种适用于设施农业土壤环境中农药残留处理的作物秸秆制备生物质炭的制备方法。

第一方面，提供一种农作物秸秆生物质炭的制备方法，所述方法以农作物秸秆为碳源，在限氧环境中进行碳化热解，所述碳化温度为350～700℃，碳化时间为60～180min，碳化速率为8～12℃/min。

所述农作物秸秆可采用设施农业作物及露地农业作物废弃的茎叶(穗)部分，包括蔬菜、水果、花卉、食用菌、苗木等；优选的，采用设施农业作物的秸秆作为碳源，具体的农作物为包括但不限于番茄、辣椒、黄瓜中的一种。上述秸秆在炭化前应进行适当的粉碎，可采用物理粉碎方式，粉碎后过40～80目尼龙筛。

另外，本发明探究发现，不同作物的纤维结构、孔结构不同，导致制备的生物质炭比表面积、孔隙结构、孔径等存在一定差异；经验证，基于本发明方法制备的番茄秸秆具有显著提升的比表面积，相比其他作物秸秆制备的生物炭材料有效提高过氧化物的催化降解效率。

所述碳化热解过程在炭化炉中进行，解热前需要向炭化炉中通入惰性气体以制备限氧环境，所述惰性气体包括稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙、氡、气奥)及其他不活跃气体，如二氧化碳及氮气等，出于经济因素的考虑，可采用氮气。通入惰性气体的时间可以为30～60min，以保证炭化炉内充满惰性气体。

上述方案中所选用的炭化炉，应当满足升温速度快、炭化时间短，能够方便的带走炭表面挥发物质的特性，具体的实例如抽屉式炭化炉、静止管式炭化炉或旋转管式炭化炉。