微波热解法合成一种新型具有良好保水性能的生物炭缓释氮肥外文翻译资料

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环境科学与工程学院

二Ｏ一九年一月十七日

微波热解法合成一种新型具有良好保水性能的生物炭缓释氮肥

摘要

生物炭基缓释氮肥(BSRFs)引起了研究人员和学者们的极大兴趣，但这些肥料中有许多并不具有保水的能力。在这项工作中，为达到作为一种高吸水性聚合物，提高土壤的保水能力的目的，使用微波辐照法在NH₄ 中引入了聚合物基体-加载生物炭(N-BC)。聚合物基体由棉花秸秆（CSs）、丙烯酸（AA）、2一丙烯酰胺一2一甲基丙磺酸（AMPS）以及膨润土组成。聚合物基体-加载生物炭通过NH₄ 对BC的吸附，以及对其吸附行为进行了研究来制备。所得样品的结构和性质用各种表征方法进行表征。结果显示生物炭基缓释氮肥可以大大提升土壤的持水和保水能力。生物炭基缓释氮肥能有效降低释氮速率（30天后69.8%的氮被释放），并拥有低氮素淋洗损失数目（10.3%），低氮转移表面数目（7.4%），以及高氮使用效率（64.27），相比于NH₄Cl和聚合物基体-加载生物炭能有效促进棉花植被生长。生物炭基缓释氮肥的土壤埋藏降解测试显示其具有良好的降解能力。生物炭基缓释氮肥也许因此有望应用于现代可持续农业，而微波辐照是生产生物炭基缓释氮肥的重要方式。

关键词：棉花秸秆，膨润土，生物炭基缓释氮肥，保水性，微波辐照

1.引言

肥料是农业生产的基本要素，无论是在质量上还是在数量上。随着世界人口的增加和耕地的减少，有必要使用更多的化肥，特别是氮(N)、磷(P)和钾(K)，以满足全球粮食需求。1minus;4 N是应用最广泛的营养物质可促进良好的土壤肥力和植物生长，即使利用率只有大约30minus;40%。氨挥发、硝态氮浸出、一氧化二氮排放造成的N损失高，效率低，经济损失大，对环境造成不利影响，制约农业可持续发展。缓释肥料(SRFs)是一种很有前途的策略，可以同时提高氮素利用效率和减轻环境影响。缓释肥料的目的是比传统肥料释放养分的速度慢，从而大大延长植物吸收养分的可用性。与传统肥料相比，缓释肥料不具有可逆性不仅降低了肥料的损失率和施用频率，而且减轻了环境问题。各种类型的SRF已经出现在农业应用中，包括一种使用生物炭(BC)作为支持材料的缓释肥料，它被认为是一种潜在的比现有的其他缓释肥料更具吸引力。

生物炭是一种富碳、细颗粒、多孔的物质，由各种生物质原料在有限氧的环境中以中等高温缓慢热解产生。许多研究已经证明，在土壤中施用生物炭比施用包膜肥料具有若干突出的农业和环境效益，如提供长期的碳汇、增加土壤养分的有效性和孔隙度、提高土壤肥力和作物生产力、增加阳离子交换能力(CEC)和持水能力(WH%)，降低温室效应和土壤容重，促进土壤微生物和活性。此外，科学调查表明，生物炭对不同类型的肥料具有较强的吸附能力，吸附养分的耗尽生物炭可作为缓释肥料直接应用于农业领域，进行可持续释放，减少肥料损失。因此，利用生物炭从水中吸收营养是一种生态友好和可持续的方法，可能带来多种环境和经济效益。在这项研究中，生物炭通过减缓棉花秸秆热解(CSs，农业废弃物并提供优势，比如廉价、丰富，可再生、可生物降解)，已被用于从水溶液吸收NH₄ 为了聚合物基体-加载生物炭的制备。虽然这些以生物炭为基础的缓释肥料 (生物炭基缓释氮肥)能够有效地提高营养利用效率，但大多不具备保水能力。例如Kim等人将柳枝稷生物炭和木质素与磷肥、钾肥混合后制成生物炭球团，球团化倾向于减缓养分释放速率，但其水膨胀能力明显受限。Yao等人报道了一种富含磷的生物炭，这种生物炭是通过P吸附到一种工程生物炭上而产生的，这种生物炭可以延长营养物质的释放，但不能保证其保水能力。供水是农业生产的一个关键因素。许多农田，特别是干旱和半干旱地区的农田，都面临水资源短缺的问题，这意味着具有保水性能的新型生物炭基缓释氮肥将变得非常重要。高吸水聚合物作为一种农业节水材料，近年来受到越来越多的关注，并取得了令人振奋的效果：由于其优异的吸水性能和保水性能，提高了植物的持水能力，减少了灌溉频率，降低了植物的死亡率。然而，大多数可用的高吸水性高分子(SAPs)主要是基于不可生物降解的材料，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和其他聚丙烯酸酯。生物可降解性差，生产成本高，促使人们利用高比例添加的生物质和粘土开发环保、经济可行的高吸水性高分子。在这项工作中加入了 棉花秸秆和膨润土(bent.)来缓解这些问题。棉花秸秆含有高含量的天然纤维素、半纤维素和木质素，含有羟基、羧基、磷酸盐、醚、氨基等多种官能团。因此，由于存在这些官能团，棉花秸秆可用于制备高吸水性高分子。此外，棉花秸秆是一种有用的资源，含有丰富的营养元素和有机质。因此，将棉花秸秆回收到高吸水性高分子中可以促进植物生长，降低生产成本，改善生物降解性能，这些都有助于可持续和环境友好型农业的发展。膨润土.是一种具有层状结构的天然硅酸盐矿物，以蒙脱土为主要成分，由于其表面活性OH基团、比表面积大、膨胀能力强、阳离子交换能力等优点。膨润土被认为是高吸水性高分子的良好基体。在我们之前的研究中已经使用，结果表明，膨润土的结合。可提高膨胀能力、保水能力(WR%)、热稳定性和缓释性能。然而，在聚合物基体-加载生物炭中加入高吸水性高分子以增强保水能力的研究尚未见报道。本文引入高吸水性高分子与聚合物基体-加载生物炭结合获得具有保水性能的新型生物炭基缓释氮肥。优化组合可提高土壤的持水能力和养分保持率，提高肥料利用效率，降低灌溉频率，减轻常规肥料造成的环境问题

微波(MW)辐射被认为是一个潜在的技术替代传统的热加热方法有机合成和聚合反应由于其特异性的简单性，反应性，效率高、生产率、低能耗和成本，更少的污染和副产品，和能够迅速加热大部分物质，虽然传统热加热方法通常需要很长时间，消耗大量的能量，并需要昂贵的专用设备来维持必要的反应条件。然而，一些生物炭基缓释氮肥基于棉花秸秆，丙烯酸(AA)、2一丙烯酰胺一2一甲基丙磺酸(AMPS)，膨润土，和聚合物基体-加载生物炭，是通过微波辐照合成的，有报道称可以保持水。因此，利用微波辐照技术合成保水性生物炭基缓释氮肥应具有一定的创新性和原创性，并对其性能进行评价，以提高肥料养分和水资源的利用效率。

在本研究中，我们尝试通过微波辐射合成保水性生物炭基缓释氮肥。利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)、x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对样品的结构和性能进行了研究。分析了含生物炭基缓释氮肥土壤的持水能力和保水能力，以及生物炭基缓释氮肥在土壤中的缓释行为。采用盆栽试验的方法，系统地研究了生物炭基缓释氮肥对棉花氮素损失和植株氮素利用效率的影响。并对生物炭基缓释氮肥进行了土体埋藏降解试验。结果表明，微波辐照可能是一种重要的生物炭基缓释氮肥生产策略，提出的生物炭基缓释氮肥在农业和园艺中具有广泛的应用潜力。

2. 实验部分

生物炭基缓释氮肥的制备 (如图1所示)。聚合物基体-加载生物炭的准备。0.25 g 生物炭样本放入瓶250毫升的5000毫克每升NH₄ 水溶液。30 ^oC下在150 rpm的水瓶摇动孵化器瓶 2 h;然后混合物离心机，吸附的聚合物基体-加载生物炭收集，用蒸馏水冲洗，干燥40 ^oC。将吸附后的生物炭储存起来进行进一步的实验。生物炭物化特性如表1所示。

表1 生物炭的理化性质综述

图1 生物炭与缓释氮肥制备简易流程图

生物炭基缓释氮肥的准备。含6.67 g AA(中和度70%)、3.33 g 2一丙烯酰胺一2一甲基丙磺酸、1.0 g 膨润土的混合溶液，1.0 g 棉花秸秆， 0.03 g的MBA (N， N′制丙烯酰胺)，0.1和2.96毫升的摩尔每升 KPS(过硫酸钾)被引入一个250毫升含有2.5克聚合物基体-加载生物炭圆底烧瓶。然后将烧瓶转移到一个微波辐照反应器(MCR-3，中国科利)，该反应器频率为2.45 GHz，输出功率最大为800 W，并配有冷凝器。采用梯度规划法在微波辐照腔内进行聚合反应。程序设计最初包括搅拌10分钟直到混合物均匀，然后在320w下照射混合溶液3.5分钟，在恒定搅拌下完成聚合。所有这些步骤都是在氮气环境中进行的。由此产生的凝胶产品都是用70%的乙醇洗净，干恒重烤箱在70°C，研磨，筛选，存储供以后使用。

详细介绍了NH₄ 吸附生物炭的行为、生物炭基缓释氮肥对土壤持水能力和保水能力的测定、生物炭基缓释氮肥在土壤中的释放研究、生物炭基缓释氮肥的氮损失控制性能、盆栽试验以及生物炭基缓释氮肥在土壤中的降解情况。

3. 结果与讨论

3.1. NH₄ 吸附生物炭的动力学和等温线

生物炭吸附NH₄ 的动力学研究表明，吸附NH₄ 是一个快速的吸附过程，吸附过程在20min内几乎达到平衡(图2a)。现有活性位点的数量有利于促进NH₄ 吸附动力学的初步加快。有效活性位点的数量逐渐减少;吸附速率减慢，直至达到吸附平衡。模型确定的动力学参数及线性相关系数R²列于表2。根据相关系数值R² = 0.9893，拟二阶模型比拟一阶模型更能描述吸附过程。此外，伪二阶模型计算的q_e值与实验数据非常接近。NH₄ 吸附在生物炭上的吸附过程遵循伪二阶模型，说明吸附过程既包括化学吸附，也包括物理吸附。更高的吸附速率常数K₂ (0.1891 g/(mg min))进一步证实了快速的吸附率。NH₄ 对生物炭的快速吸附速率与生物炭的高孔结构以及含氧官能团与NH₄ 之间的氢键和静电吸引相互作用有关。

Fig. 2 吸附动力学 (a), 内颗粒扩散曲线 (b), 和吸附等温线 (c)

表2 生物炭吸附NH₄ 的动力学参数

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