一种改性生物炭及其制备方法

摘要

本发明公开了一种改性生物炭的制备方法，利用甘蔗渣作为原材料，不仅将甘蔗渣进行了资源化利用，而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小，比表面积更大、微孔结构更突出，不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内，还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子，同时减少土壤中镉和砷的含量。此外，本发明的改性生物炭组分简单、成本低，不仅含有植物所需的营养元素，还含有固化镉和砷的组分，可以减少植物对镉和砷的吸收，提高植物的产量。

权利要求

1.一种改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗渣粉末；

S2：将步骤S1中的甘蔗渣粉末加入到铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗渣混合物；

S3：将步骤S2中的甘蔗渣混合物烘干，并将烘干后的甘蔗渣混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护气体，以每分钟升温15℃-30℃，使得温度升高到300℃-

500℃并保持1h-3h，得到生物炭初品；

S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中，震荡1-3小时，得到生物炭混合物；

S5：将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

2.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。

3.根据权利要求2所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，所述催化剂为铂和钯。

4.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。

5.根据权利要求4所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐溶液为硅酸钠溶液、硅酸钾溶液中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。

7.根据权利要求6所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S3中氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。

8.根据权利要求1所述的改性生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。

9.一种改性生物炭，所述改性生物炭采用权利要求1-8中任一所述的方法制备所得。

说明书

一种改性生物炭及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及环保工程技术领域，尤其涉及一种改性生物炭及其制备方法。

背景技术

[0002] 重金属污染土壤中，砷镉复合污染问题突出，大约六分之一的稻田受到不同程度的砷镉复合污染，并且污染面积逐年上升。矿山开采和冶炼是土壤砷镉复合污染主要途径，废矿渣和尾矿砂中通常含有高浓度的砷和镉废矿石或尾砂，经自然风化和雨水侵蚀后，砷和镉会向土壤中释放，从而使土壤遭受严重的砷镉复合污染。过高的镉和砷会引起土壤生物学特性逐渐变异，导致土壤质量下降。并且土壤中砷和镉的生物迁移性和毒性较强，极易被作物吸收并积累，直接影响作物的品质和产量。并通过食物链对人类健康构成严重的危害。因此，如何修复砷镉复合污染土壤已成为一个亟待解决的重大问题。

[0003] 近年来生物炭材料在重金属污染修复方面的应用逐步得到重视。生物炭原料来源广泛，具有大量的微孔结构和巨大的比表面积，吸附能力较强，其吸附行为可以影响重金属在环境中的迁移、转化、生物生态效应以及受污染的环境介质的控制和修复等过程。生物炭表面含有大量的羧基、羟基和酸酐等多种官能基团以及负电荷，比表面积较大。施入到土壤后，生物炭能吸附重金属并将其固定在表面，显著降低大多数重金属的生物有效性，同时能改善土壤物理、化学和生物特性，使土壤肥力和作物产量均有一定程度的提高。

[0004] 但是，生物炭材料可显著提高土壤中砷的流动性与有效性。有研究报道，生物炭能够降低土壤滤出液中镉和锌的浓度(分别降低300倍和45倍)，但滤出液中砷的浓度明显提商，生物炭提高了砷的移动性。另外有研究报道，添加生物炭能改善水稻根际微环境和促进根表铁膜的形成，水稻根中Cd、Zn和Pb的浓度能分别下降98％、83％和72％，但是，砷的浓度则增加了327％。因此，如何改善生物炭的组成与性质，提高其吸附固定砷的能力，实现土壤砷镉的有效性的同时降低，是极富挑战性同时也是具有重大环境意义的工作。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种改性生物炭及其制备方法与使用方法，通过对生物炭进行改性，不仅能降低土壤中砷的流动性与有效性，同时还可以降低土壤中砷的流动性与有效性，还可以降低植物中镉和砷的含量，提高植物的产量。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0007] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0008] S2：将步骤S1中的甘蔗粉末加入到铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物；

[0009] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护气体，以每分钟升温15℃-30℃，使得温度升高到300℃-500℃并保持1h-3h，得到生物炭初品；

[0010] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中，震荡1-3小时，得到生物炭混合物；

[0011] S5：将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0012] 作为上述方案的改进，步骤S2中铁和甘蔗粉末的质量比为1:1.25-1:40。

[0013] 作为上述方案的改进，步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。

[0014] 作为上述方案的改进，所述催化剂为铂和钯。

[0015] 作为上述方案的改进，步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。

[0016] 作为上述方案的改进，所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和偏硅酸钠溶液中的至少一种。

[0017] 作为上述方案的改进，步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。

[0018] 作为上述方案的改进，步骤S3中氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。

[0019] 作为上述方案的改进，步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。

[0020] 相应地，本发明还提供了一种改性生物炭，所述改性生物炭采用上述的方法制备所得。

[0021] 实施本发明，具有如下有益效果：

[0022] 1、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法，利用甘蔗渣作为原材料，不仅将甘蔗渣进行了资源化利用，而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小，比表面积更大、微孔结构更突出，不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内，还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子，同时减少土壤中镉和砷的含量。此外，本发明的改性生物炭组分简单、成本低，不仅含有植物所需的营养元素，还含有固化镉和砷的组分，可以减少植物对镉和砷的吸收，提高植物的产量。

[0023] 2、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法，将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液，所得到的改性生物炭不仅能够提高植物的产品，还能够提高生物炭吸附固定砷的能力，实现土壤砷镉的有效性的同时降低。

[0024] 3、本发明提供的一种改性生物炭的制备方法，通过向气氛炉内通入保护气体，不仅可以减少甘蔗渣的碳化时间，还可以防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应。此外，将生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中，使得氮、磷、钾、硅离子能够吸附到生物炭初品中，然后将壳聚糖和生物淀粉加入到生物炭混合物中，可以将铁、氮、磷、钾、硅等营养离子包裹在生物炭内，使得铁、氮、磷、钾、硅等营养离子能后缓慢地释放到土壤中，减少肥料和生物炭的用量，避免氮、磷、钾离子快速地释放到土壤中，造成营养大量氮、磷、钾离子流失而造成水体富营养化。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。

[0026] 本发明提供了一种改性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0027] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0028] S2：将步骤S1中的甘蔗粉末加入到铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物；

[0029] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护气体，以每分钟升温15℃-30℃，使得温度升高到300℃-500℃并保持1h-3h，得到生物炭初品；

[0030] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中，震荡1-3小时，得到生物炭混合物；

[0031] S5：将壳聚糖和生物淀粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0032] 经过榨糖之后剩下的甘蔗渣，含有大量的纤维素、半纤维素和木质素。其中，甘蔗渣纤维长度约为0.65－2.17mm，宽度是21－28μm。其纤维形态虽然比不上木材和竹子，但是比稻、麦草纤维则略胜一筹。本发明提供的改性生物炭，利用甘蔗渣作为原材料，不仅将甘蔗渣进行了资源化利用，而且利用甘蔗渣制备而成的改性生物炭粒径小，比表面积更大、微孔结构更突出，不仅能够将更多的铁、氮、磷、钾、硅等营养离子吸附在其微孔内，还能够将其微孔内的营养离子置换成镉和砷离子，同时减少土壤中镉和砷的含量。此外，本发明的改性生物炭组分简单、成本低，不仅含有植物所需的营养元素，还含有固化镉和砷的组分，可以减少植物对镉和砷的吸收，提高植物的产量。

[0033] 本发明提供的改性生物炭吸附有大量硅，其中，硅不仅能够提高植物的产品，还能够提高生物炭吸附固定砷的能力，实现土壤砷镉的有效性的同时降低。

[0034] 本发明的改性生物炭制备方法简单，其中，通过向气氛炉内通入保护气体，不仅可以减少甘蔗渣的碳化时间，还可以防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应。此外，将生物炭初品加入到氮磷钾硅混合溶液中，使得氮、磷、钾、硅离子能够吸附到生物炭初品中，然后将壳聚糖和生物淀粉加入到生物炭混合物中，可以将铁、氮、磷、钾、硅等营养离子包裹在生物炭内，使得铁、氮、磷、钾、硅等营养离子能后缓慢地释放到土壤中，减少肥料和生物炭的用量，避免氮、磷、钾离子快速地释放到土壤中，造成营养大量氮、磷、钾离子流失而造成水体富营养化。

[0035] 需要说明的是，步骤S2中铁和甘蔗粉末的质量比为1:1.25-1:40。当铁和甘蔗粉末的质量比小于1:1.25时，过多的铁吸附到甘蔗粉末上，不利于生物炭进行改性；当铁和甘蔗粉末的质量比大于1:40时，使得吸附到改性生物炭中铁含量过少，减弱改性生物炭对土壤的修改能力，降低改性生物炭固化镉和砷的能力。

[0036] 为了减少甘蔗粉末的碳化时间，步骤S2中的铁溶液包括氯化铁和催化剂。其中，所述催化剂为铂和钯。具体的，在甘蔗粉末碳化的过程中，所述催化剂起到催化的作用，加快甘蔗粉末碳化，缩短碳化时间。

[0037] 具体的，催化剂不仅能够促进铁离子快速地吸附到甘蔗渣粉中，还可以加快甘蔗混合物的碳化时间，使得甘蔗混合物碳化得更加充分，使得改性生物炭的粒径小，比表面积更大、微孔结构更突出。

[0038] 步骤S4中的氮磷钾硅混合溶液包括40-60mg/L的KNO3溶液、40-60mg/L的KH2PO4溶液和40-60mg/L的硅酸盐溶液。优选的，所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和偏硅酸钠溶液中的至少一种。当KNO3溶液的浓度小于40mg/L时，浓度太低，氮和钾离子不能充分吸附到生物炭初品中；当KNO3溶液的浓度大于60mg/L时，过多的氮和钾离子吸附到生物炭初品中，从而抑制其他离子的吸附。当KH2PO4溶液的浓度小于40mg/L时，浓度太低，钾、磷离子不能充分吸附到生物炭初品中；当KH2PO4溶液的浓度大于60mg/L时，过多的钾、磷离子吸附到生物炭初品中，从而抑制其他离子的吸附。当硅酸盐溶液的浓度小于40mg/L时，浓度太低，硅离子不能充分吸附到生物炭初品中；当硅酸盐溶液的浓度大于
60mg/L时，过多的硅离子吸附到生物炭初品中，从而抑制其他离子的吸附。优选的，所述硅酸盐溶液由硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、过二硅酸钠溶液和片硅酸钠中溶液中的至少一种。硅酸钠、硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠属于水溶性硅肥，能有效地溶解到土壤中，从而有效地固化土壤中的砷，且能够快速地置换出来，便于改性生物炭吸收土壤中的砷。

[0039] 为了减少甘蔗粉末的碳化时间，同时防止吸附在甘蔗粉末内的铁离子发生碳化反应，步骤S3中的保护气体为氮气和氧气。优选的，氮气和氧气的体积比为30:1-5:1。当氮气和氧气的体积比小于5:1时，氧气的含量过多，会增加碳化的时间；当氮气和氧气的体积比大于30:1时，氧气的含量过少，使得甘蔗粉末过多碳化，不利于形成改性生物炭，且吸附在甘蔗粉末中的铁也容易进行碳化。

[0040] 其中，步骤S5中的生物淀粉是玉米粉、红薯粉、马铃薯粉或木薯粉。

[0041] 相应地，本发明还提供了一种改性生物炭，所述改性生物炭采用上述的方法制备所得。

[0042] 下面以具体实施例进一步阐述本发明

[0043] 实施例1

[0044] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0045] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0046] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有12.08克的FeCl3·H2O；

[0047] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为30:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持3h，得到生物炭初品；

[0048] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠溶液；

[0049] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0050] 实施例2

[0051] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0052] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0053] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有24.15克的FeCl3·H2O；

[0054] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为25:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持2.7h，得到生物炭初品；

[0055] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钾溶液；

[0056] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0057] 实施例3

[0058] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0059] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0060] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有48.31克的FeCl3·H2O；

[0061] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为20:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持2.3h，得到生物炭初品；

[0062] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的偏硅酸钠溶液；

[0063] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0064] 实施例4

[0065] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0066] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0067] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有96.61克的FeCl3·H2O；

[0068] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为15:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持2h，得到生物炭初品；

[0069] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的过二硅酸钠溶液；

[0070] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0071] 实施例5

[0072] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0073] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0074] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有193.22克的FeCl3·H2O；

[0075] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为10:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持1.8h，得到生物炭初品；

[0076] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠和硅酸钾混合溶液；

[0077] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0078] 实施例6

[0079] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0080] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0081] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有386.44克的FeCl3·H2O；

[0082] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为5:1，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持1.2h，得到生物炭初品；

[0083] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括40mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和40mg/L的硅酸钠、硅酸钾和过二硅酸钠混合溶液；

[0084] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0085] 实施例7

[0086] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0087] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0088] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有12.08克的FeCl3·H2O；

[0089] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为30:1，以每分钟升温20℃，使得温度升高到400℃并保持3h，得到生物炭初品；

[0090] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括45mg/L的KNO3溶液、45mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠、硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液；

[0091] S5：将壳聚糖和红薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0092] 实施例8

[0093] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0094] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0095] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有24.15克的FeCl3·H2O；

[0096] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为25:1，以每分钟升温20℃，使得温度升高到400℃并保持2.7h，得到生物炭初品；

[0097] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括50mg/L的KNO3溶液、50mg/L的KH2PO4溶液和50mg/L的硅酸钠、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液；；

[0098] S5：将壳聚糖和马铃薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0099] 实施例9

[0100] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0101] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0102] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有48.31克的FeCl3·H2O；

[0103] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为20:1，以每分钟升温25℃，使得温度升高到400℃并保持2.3h，得到生物炭初品；

[0104] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括55mg/L的KNO3溶液、55mg/L的KH2PO4溶液和55mg/L的偏硅酸钠溶液；

[0105] S5：将壳聚糖和木薯粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0106] 实施例10

[0107] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0108] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0109] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有96.61克的FeCl3·H2O；

[0110] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为15:1，以每分钟升温25℃，使得温度升高到450℃并保持2h，得到生物炭初品；

[0111] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括45mg/L的KNO3溶液、50mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠和硅酸钾混合溶液；

[0112] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0113] 实施例11

[0114] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0115] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0116] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有193.22克的FeCl3·H2O；

[0117] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为10:1，以每分钟升温30℃，使得温度升高到450℃并保持1.1h，得到生物炭初品；

[0118] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括50mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和45mg/L的硅酸钠和过二硅酸钠混合溶液；

[0119] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0120] 实施例12

[0121] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0122] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0123] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有386.44克的FeCl3·H2O；

[0124] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气和氧气，其中，氮气和氧气的体积比为5:1，以每分钟升温30℃，使得温度升高到500℃并保持1h，得到生物炭初品；

[0125] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾硅混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括60mg/L的KNO3溶液、40mg/L的KH2PO4溶液和60mg/L的硅酸钾、过二硅酸钠和偏硅酸钠混合溶液；

[0126] S5：将壳聚糖和玉米粉加入到步骤S4中的生物炭混合物中，搅拌均匀，并烘干得到改性生物炭。

[0127] 对比实施例1

[0128] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0129] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0130] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有50克的FeCl3·H2O；

[0131] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入氮气，以每分钟升温15℃，使得温度升高到300℃并保持8h，得到生物炭。

[0132] 对比实施例2

[0133] 一种改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：

[0134] S1：将甘蔗渣烘干并粉碎至粒径小于0.2mm，得到甘蔗粉末；

[0135] S2：将100克步骤S1中的甘蔗粉末加入到浓度为1升铁溶液中，并用搅拌机进行搅拌，得到甘蔗混合物，其中，铁溶液中含有200克的FeCl3·H2O；

[0136] S3：将步骤S2中的甘蔗混合物烘干，并将烘干后的甘蔗混合物放置在气氛炉内进行碳化，其中，向气氛炉内通入保护氮气，以每分钟升温30℃，使得温度升高到450℃并保持6h，得到生物炭初品；

[0137] S4：将步骤S3中的生物炭初品加入到5升氮磷钾混合溶液中，震荡1小时，得到生物炭混合物，其中，氮磷钾硅混合溶液包括60mg/L的KNO3溶液和40mg/L的KH2PO4溶液，搅拌均匀并进行烘干，得到生物炭。

[0138] 将实施例1-12制备所得的改性生物炭和对比实施例1和2制备所得的生物炭进行重金属污染土壤的修复试验。

[0139] 土壤采集自湖南省株洲市攸县一受矿山开采污染农田表层0～20cm；土壤经自然风干后过2mm筛，土壤基本理化性质如表1所示。每盆称取10kg土壤放入塑料桶内(直径35cm，高40cm)后，进行如下处理：

[0140] T1：10公斤土+100g实施例1制备的改性生物炭；

[0141] T2：10公斤土+100g实施例2制备的改性生物炭；

[0142] T3：10公斤土+100g实施例3制备的改性生物炭；

[0143] T4：10公斤土+100g实施例4制备的改性生物炭；

[0144] T5：10公斤土+100g实施例5制备的改性生物炭；

[0145] T6：10公斤土+100g实施例6制备的改性生物炭；

[0146] T7：10公斤土+100g实施例7制备的改性生物炭；

[0147] T8：10公斤土+100g实施例8制备的改性生物炭；

[0148] T9：10公斤土+100g实施例9制备的改性生物炭；

[0149] T10：10公斤土+100g实施例10制备的改性生物炭；

[0150] T11：10公斤土+100g实施例11制备的改性生物炭；

[0151] T12：10公斤土+100g实施例12制备的改性生物炭；

[0152] T13：10公斤土+100g对比实施例1制备的生物炭；

[0153] T14：10公斤土+100g对比实施例2制备的生物炭；

[0154] T15：10公斤土+5g偏硅酸钾；

[0155] T16：10公斤土+15g偏硅酸钾+5g铁粉；

[0156] 以不添加任何调理剂为对照(CK)。

[0157] 每个处理3个重复，放置于玻璃温室中。施加各种改性生物炭后5天种植水稻；在水稻生长30天后，采集土壤样品，分析其有效态重金属Cd、As含量；在水稻收获时收集水稻样品，分析籽粒Cd、As含量。

[0158] 表1盆栽供试土壤基本理化性质

[0159]测试指标 含量
pH 6.82
总As(mg·kg-1) 328.9
总Cd(mg kg-1) 3.54
-1
阳离子交换量(cmol·kg ) 19.1
TOC(g·kg-1) 38.2

[0160] 如表2所示，不同改性生物炭处理后盆栽水稻土有效态Cd和As均出现不同程度的降低。其中以实施例11制备的改性生物炭对土壤有效态As、Cd降低的幅度最大，分别达到80.11％和84.10％。而且本发明制备的12种改性生物炭均可以有效的同时钝化土壤重金属As、Cd(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12处理后有效态As、Cd均显著低于对照)；
而对比实施例1和对比实施例2制备的生物炭只能钝化少量的Cd，而单独偏硅酸钾处理(T15)对2种重金属钝化效果均不理想，偏硅酸钾加铁粉处理(T16)只能钝化少量的Cd。对应的，只有施用本发明的改性生物炭后盆栽水稻糙米无机As和总Cd才会同时大幅度下降(参见表3)；其中以实施例11制备的改性生物炭对降低稻米无机As和总Cd效果最佳，分别达到
80.88％和82.93％。这说明与普通生物炭相比，本发明技术制备的改性生物炭可以实现同时高效钝化土壤As、Cd复合污染，降低水稻对这2种重金属的吸收积累。对应的，施用本发明的改性生物炭后盆栽水稻的干重同时大幅度增加(参见表4)；其中以实施例11和12制备的改性生物炭对增加水稻干重的效果最佳，达到17.98％。这说明与普通生物炭相比，本发明技术制备的改性生物炭不仅可以高效钝化土壤As、Cd复合污染，降低水稻对这2种重金属的吸收积累，还可以增加水稻的产量。

[0161] 表2不同改性生物炭处理对盆栽土壤有效重金属As、Cd含量的影响

[0162]

[0163] 表3不同改性生物炭处理对盆栽水稻糙米重金属As、Cd含量的影响

[0164]

[0165]

[0166] 表4不同改性生物炭处理对盆栽水稻产量的影响

[0167]组别 水稻干重(g) 增加比例(％)
CK 356 0
T1 402 12.92
T2 395 10.96
T3 496 39.33
T4 406 14.04
T5 407 14.33
T6 410 15.17
T7 405 13.76
T8 411 15.45
T9 418 17.42
T10 420 17.98
T11 420 17.98
T12 418 17.42
T13 374 5.06
T14 369 3.65
T15 357 0.28
T16 359 0.84

[0168] 以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。