一种基于富钾秸秆的生物炭钾缓释肥及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化利用与农业可持续发展技术领域，尤其涉及一种基于富钾秸秆的生物炭钾缓释肥及其制备方法和应用

背景技术

土壤钾素缺乏是制约我国农业可持续发展的重要因素之一，然而近年来钾肥进口成本的增加迫使我们亟需扩宽钾肥来源，寻找可代替的有效钾肥。人工湿地被广泛应用于富营养化水体及污水处理厂的尾水的处理，能够有效净化水质。然而人工湿地在运行中将产生大量的湿地植物残体，其需要定期收割以保证水质净化效率。大量湿地植物残体的合理处置对于实现生态湿地产业化十分关键。人工湿地植物是一种钾含量丰富的生物质废弃物，其中以美人蕉中钾含量最为突出，将其中的钾素进行回收利用对于实现废弃物的资源化和缓解耕地土壤钾资源缺乏具有重要意义。

通过热解技术将湿地植物残体制备为生物炭能够实现钾素的高效回收利用。同时，生物炭施加到土壤也能在一定程度上起到土壤改良和固碳减排的作用。然而生物炭中的钾多以无机钾形态存在，将其施加到土壤中会快速溶解，在短期内未被植物吸收利用的钾会随地表径流流失，造成钾资源的浪费。因此，需要针对富含钾素的美人蕉原料进行矿物质共热解及造粒处理，开发具有钾缓释效果的复合型富钾生物炭缓释肥，提高钾素的利用效率。

发明内容

本发明提供了一种基于富钾秸秆的生物炭钾缓释肥及其制备方法和应用，该制备方法通过湿地植物残体内的钾素进行回收利用，可以实现废弃物的资源化和缓解耕地土壤钾资源缺乏，还可以一定程度上起到土壤改良和固碳减排的作用。

具体技术方案如下：

一种利用富钾秸秆制备生物炭钾缓释肥的方法，包括以下步骤：

(1)制备美人蕉粉末；

(2)将美人蕉粉末与矿物质按比例混合，得到粉末型复合原料，在粉末型复合原料基础上控制含水率，造粒，干燥后得到颗粒型复合原料；

(3)将颗粒型复合原料进行热解，热解结束后，自然冷却至室温，取出固体产物，得到颗粒型复合生物炭，即得生物炭钾缓释肥。

美人蕉生物炭是指利用富钾美人蕉生物质在的高温条件下受热分解成热解炭的过程，美人蕉粉碎后的粒径与热解碳化的程度有关，粒径太大可能会造成美人蕉水热碳化不完全；美人蕉生物炭缓释肥是将美人蕉生物质原料经过一定的改性后热解制备而成的钾缓释肥，具有一定的缓释效果，矿物质的含量的会影响生物炭中钾的缓释效果，含水率会影响造粒过程中颗粒成型效果，颗粒的大小会影响生物炭中钾的缓释效果，美人蕉烘干过程中合适的温度与时间，是决定其具有良好机械强度的重要因素；升温速率、目标温度和保温时间是决定生物炭产率的重要因素；

进一步地，步骤(1)中，所述美人蕉粉末的制备方法为：取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末。

作为优选，步骤(1)中，所述美人蕉植株烘干的温度为65～105℃，时间为23～24h。

作为优选，步骤(1)中，所述美人蕉风干后含水率要低于20％。

作为优选，步骤(1)中，所述粉碎后的美人蕉过40目筛。

作为优选，步骤(2)中，所述美人蕉粉末与矿物质的混合比例为20:1～5:1。

作为优选，步骤(2)中，所述矿物质为膨润土，膨润土具有特殊的层间结构，能够起到对钾素的固持作用，减缓钾的释放速率，提高钾的利用效率。

作为优选，步骤(2)中，所述粉末型复合原料的含水率为18％～23％，以达到最好的成型效果。

作为优选，步骤(2)中，所述颗粒型复合原料的长度为2.5～3.5cm，直径为3.9～4.0mm。

作为优选，步骤(2)中，所述颗粒型复合原料在85℃下进行干燥，干燥时间为23～24h。

进一步地，步骤(3)中，称量一定量颗粒型复合原料于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温。

作为优选，步骤(3)中，所述马弗炉的升温速度为5℃/min，升温至500℃后并保温2h的条件下热解。

进一步地，步骤(3)中，所述的制备方法制得的生物炭钾缓释肥。

进一步地，步骤(3)中，所述的生物炭钾缓释肥在制备钾缓释肥料中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将美人蕉粉末与矿物质进行混合，制成颗粒型复合原料，热解后得到生物炭钾缓释肥；该生物炭钾缓释肥可以实现废弃物的资源化和缓解耕地土壤钾资源缺乏，还可以一定程度上起到土壤改良和固碳减排的作用。

(2)本发明生物炭钾缓释肥的钾素来源于生物质废弃物美人蕉，极大程度地摆脱了对传统钾肥的依赖。

(3)本发明的美人蕉原料来自于人工湿地的植物残体，有效地解决废弃湿地生物质的处理处置问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。

下列实施例和对比例中，涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，如下：

称取所制备的粉末型生物炭0.1g置于15mL离心管中，然后添加10mL去离子水后将混合物在25℃，180rpm条件下振荡。在第1h和24h后将混合物取出，用0.45μm滤膜过滤后并收集过滤后的溶液，而后用火焰光度计测定溶液中钾的含量，计算粉末生物炭中钾的释放率，其计算公式为：释放率＝钾的浓度*释放溶液体积*100％/(生物炭样品质量*总钾含量)。对于颗粒型生物炭，称取0.1g左右样品，以固液比1:100添加去离子水，其钾释放试验与计算与粉末型生物炭一致。

下列实施例中，涉及复合生物炭的产率的计算方法，如下：

所有制备的复合生物炭的产率通过公式算得，其计算公式为：产率＝(热解后制备的复合生物炭的重量/复合原料的重量)。

实施例1

1、5:1混合颗粒型膨润土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行85℃、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与膨润土以质量比5:1的比例混合均匀；

(3)控制美人蕉生物质粉末和膨润土混合物的含水率为20％，将其在一定压力下进行造粒处理，得到颗粒型复合原料

(3)称量颗粒型复合原料于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到颗粒型膨润土复合富钾生物炭。

2、5:1混合膨润土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和膨润土在5:1比例混合造粒共热解制备的膨润土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为20.4％和63.7％。

对比例1

1、5:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行85℃烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与膨润土以质量比5:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和膨润土混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到5:1混合的粉末型膨润土复合富钾生物炭。

含水率为18％～23％；颗粒型复合原料的颗粒长度为2.5～3.5cm，直径为3.9～4.0mm。所述颗粒型复合原料在65～105℃下进行干燥，干燥时间为12～24h。

2、5:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和膨润土在5:1比例混合下共热解制备的膨润土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为62.1％和66.2％。

对比例2

1、10:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行85℃、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与膨润土以质量比10:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和膨润土混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到10:1混合的粉末型膨润土复合富钾生物炭样品。

2、10:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和膨润土在10:1比例混合下共热解制备的膨润土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为73.3％和78.6％。

对比例3

1、20:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行85℃、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与膨润土以质量比20:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和膨润土混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到20:1混合的粉末型膨润土复合富钾生物炭。

2、20:1混合粉末型膨润土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和膨润土在20:1比例混合下共热解制备的膨润土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为82.6％和86.4％。

对比例4

1、20:1混合粉末型高岭土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行65～105℃烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与高岭土以质量比20:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和高岭土混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到高岭土复合富钾生物炭。

2、20:1混合粉末型高岭土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和高岭土在20:1比例混合下共热解制备的高岭土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为81.0％和85.8％。

对比例5

1、10:1混合粉末型高岭土复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行65～105℃烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与高岭土以质量比10:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和高岭土混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到高岭土复合富钾生物炭。

2、10:1混合粉末型高岭土复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和高岭土在10:1比例混合下共热解制备的高岭土复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为75.5％和85.1％。

对比例6

1、10:1混合粉末型沸石复合富钾生物炭的制备

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行65～105℃烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与沸石以质量比10:1的比例混合均匀；

(3)称量一定量美人蕉和沸石混合物于坩埚中，将其置于马弗炉中，关闭炉门并确保炉内密闭，打开氮气阀和排空气阀，向马弗炉中通入氮气以排出炉内空气，约6min后，关闭排空气阀和氮气阀，设置热解程序，升温速率为5℃/min，在500℃保持2h，而后自然冷却至室温，取出热解固体产物得到沸石复合富钾生物炭。

2、10:1混合粉末型沸石复合富钾生物炭的钾缓释能力的测定

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和沸石在10:1比例混合下共热解制备的沸石复合富钾生物炭中钾在1h和24h时的释放率分别为80.5％和87.7％。

对比例7

1、10:1混合粉末型SiO

(1)取收获后的美人蕉植株，除杂后洗净风干，并依次进行65～105℃烘干、粉碎和过筛，得到美人蕉粉末；

(2)将美人蕉生物质粉末与SiO

(3)称量一定量美人蕉和SiO

2、10:1混合粉末型SiO

采用上述涉及复合生物炭的总钾含量的测定步骤及计算方法，测定复合生物炭中总钾含量；采用上述的涉及的生物炭中钾的缓释能力及计算方法，测定复合生物炭中钾在水体的释放率。

本实施例以美人蕉和SiO