（高分子化学与物理专业论文）竹炭作为土壤改良剂的性能研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a m b o oc h a r c o a li sa l le n v i r o n m e n t a l l yf u n c t i o n a lm a t e r i a lt h a th a se x c e l l e n ta b s o r p t i o n p r o p e r t i e s i ti sk n o w nt oh a v eh i g hp o r o s i t y v a r i o u si m p u r i t i e so rf o r e i g nm a t t e rw i l lb e a b s o r b e do v e rt h ew i d es u r f a c ea r e ao ft h ec h a r c o a l i nt h i sa r t i c l e t h ee f f e c t so fb a m b o o c h a r c o a la ss o i lm o d i f i e rw a se x a m i n e d t h i si n c l u d e dt h ea d s o r p t i o no f o r g a np h o s p h o r u s p e s t i c i d e t h em a i n t e n a n c eo fw a t e ra n df e r t i l i z e r b a m b o oc h a r c o a l p v as o i lm o d i f i e r w a sm a d eb yu s i n gt h em e t h o do fd i s s o l u t i o nb yh e a t as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r em a d e t od i s c u s st h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa g e n t t h er e s u l t ss h o w e d 1 b a m b o oc h a r c o a l sa d s o r p t i o no f a c e p h a t ea n dd i c h l o r v o sw a sa f f e c t e db yt h ed a r t i c l e s i z e t h ed e n s i t yo fp e s t i c i d e t h eh e i g h to fa d s o r p t i o na g e n t t h ev e l o c i t yo fl i q u i da n dt h e p hv a l u eo fs o l u t i o n w h e nt h ec h a r c o a lp a r t i c l es i z ew a s 0 3 0 2 4 5 m m t h ei n i t i a lm a s s c o n c e n t r a t i o no fa c p h a t ea n dd i c h l o r v o sw a s 0 3 9 l t h ep hv a l u eo fs o l u t i o nw a s7 t h e h e i g h to fa d s o r p t i o nw a s6 c ma n dt h ev e l o c i t yo fl i q u i dw a s8m l m i n t h eb 锄b o o c h a r c o a l sd y n a m i cs a t u r a t e da d s o r p t i o nc a p a c i t yo f a c e p h a t ea n dd i c h l o r v o sw a s41m e g a n d3 0 6m e g g 2 w h e nt h ew e i g h tm a t c h i n go fb a m b o oc h a r c o a la n ds o i lw a s1 15 t h ea v e r a g er a t eo f w a t e rc o n t e n to f t h em i x t u r ew a s3 3 5 a f t e ri t sf u l la b s o r p t i o n t h ea v e r a g et i m eo f w a t e r c o n s e r v a t i o nw a s2 4 3 ha tt h et e m p e r a t u r eo f6 0 c w i t ht h ea d d i t i o no f5 0 m la m m o l l i 啪 c h l o r i d ea n dm o n o p o t a s s i u mp h o s p h a t ew h i c hh a dt h e c o n c e n t r a t i o no f4 0 m g l t h e a c c u m u l a t i o nl e a c h i n gr a t eo fa m m o n i u mn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a s o n l y10 4 a n d 12 7 a f t e rw a s h i n gf o u rt i m e s 3 p r e p a r a t i o no fc h a r c o a l i tw a sm o r ea p p r o p r i a t ef o ra d d i n g3 p v at om a k e p o l y v i n y la l c o h o ls o i lm o d i f i e r p u t t i n gt h es a m p l eo f3 p v ac o n t e n ti nt h em i d d l el a y e r o f3 0 0 9s o i l t h er a t eo fw a t e rc o n t e n tw a s31 8 a f t e rf u l la b s o r p t i o n t h ew a t e rr e t e n t i o n t i m ew a s3 5 ha tt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eo f6 0 c w i t ht h ea d d i t i o no f 5 0 m la m m o i l i 吼 c h l o r i d ea n dm o n o p o t a s s i u mp h o s p h a t ew h i c hh a dt h ec o n c e n t r a t i o no f8 0 m g g l t h e a c c u m u l a t i o nl e a c h i n gr a t eo fa m m o n i u m n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw a s15 2 a n d18 6 a f t e rw a s h i n gf i v et i m e s k e y w o r d s b a m b o oc h a r c o a l p v a s o i lm o d i f i e r p e s t i c i d e w a t e ra b s o r p t i o n w 缸e r r e t e n t i o n f e r t i l i t yp r e s e r v a t i o n i i 中文文摘 中文文摘 竹炭是竹材高温热解的产物 是近年来炭材料研究领域中的一个热点 由于其 具有孔隙率较高 比表面积较大 廉价易得 资源丰富 吸附性能好 使用寿命长 等优点 因此可以用作吸附剂 除臭剂 土壤改良剂 调湿剂 卫生保健品 抗辐 射与电磁屏蔽材料等 针对目前我国农业非点源污染严重 特别是农药 化肥长期 过量 不合理使 用造成的污染 直接或间接地危害着人们的生活 生产活动及身体健康 本文依据 竹炭的吸附性能使用竹炭作为土壤改良剂 研究了对水中有机磷农药的吸附性能 对土壤的吸水 保水 保肥性能 最后使用聚乙烯醇为胶黏剂 用加热溶解法制成 了竹炭一聚乙烯醇土壤改良剂制品 对制品进行了表征及相关性能研究 1 竹炭对有机磷农药的吸附 考察了竹炭粒径 农药的初始质量浓度 吸附柱高度 液体流速 溶液p h 值对 乙酰甲胺磷和敌敌畏的穿透吸附性能及竹炭的再生吸附性能 结果表明 竹炭粒径 农药的初始质量浓度 吸附柱高度 液体流速 溶液p h 值对竹炭吸附乙酰甲胺磷和 敌敌畏均有一定的影响 在一定的范围内 竹炭的粒径越大 农药的初始质量浓度 越大 吸附剂填料层高度越低 液体流速越快时 吸附柱越容易被穿透 到达穿透 点时间和吸附完全饱和时间就越短 当竹炭粒径为0 3 0 2 4 5m m 乙酰甲胺磷和敌 敌畏的初始质量浓度为0 3g l 溶液p h 7 吸附剂填料高度为6e m 液体流速为8 m l m i n 时 吸附柱到达穿透点和吸附完全饱和时间分别为2 1 0m i n 2 0 0r a i n 和3 6 0 m i n 3 0 0m i n 在此条件下竹炭对乙酰甲胺磷和敌敌畏的动态饱和吸附容量分别为 4 1m g g 和3 0 6m g g 当溶液显碱性时 竹炭吸附乙酰甲胺磷溶液到达穿透点时间和 吸附完全饱和时间明显缩短 而对敌敌畏溶液的影响较小 竹炭经再生处理后对乙 酰甲胺磷和敌敌畏溶液仍具有较好的穿透吸附性能 2 竹炭对土壤的吸水 保水性能 考察了竹炭的粒径 环境温度 溶液的p h 值等因素对单一竹炭的吸水 保水 性能的影响 结果表明 竹炭粒径过大或过小时其吸水 保水性能都不好 在一定 范围内 环境温度越低 保水性能越好 环境温度越高 保水性能越差 竹炭在不 同p h 值的水中及盐溶液中的饱和吸水量相差很小且具有反复使用其吸水 保水性 能并不减弱的优点 1 6 5 克6 0 8 0 目的竹炭在纯水中吸水饱和时的含水率为1 1 2 3 在环境温度为6 0 时的保水时间为1 4 0h j 福建师范大学硕士学位论文 考察了环境温度 水的p h 值对单一土壤的吸水 保水性能的影响 结果表明 环境温度越高 土壤的保水性能越差 当环境温度为8 0 时 土壤保持水分的时 间只有8h 土壤在酸性 碱性水中吸水性能比在中性水中稍好 吸水饱和时的含水 率分别为2 8 1 和2 9 6 考察了竹炭的填放方式 竹炭的用量 水的p h 值 环境温度等因素对土壤和竹 炭混合物吸水 保水性能的影响 结果表明 竹炭填放在土壤上层 竹炭用量越多 环境温度越低时 混合物的吸水 保水性能越好 当竹炭与土壤的质量比为1 1 5 时 混合物在纯水中吸水饱和时的平均含水率为3 3 5 在环境温度为6 0 时保持水分 的平均时间为2 4 3h 3 竹炭对土壤的保肥性能 考察了单一土壤对氮肥和磷肥的保肥性能 结果表明 土壤对氮肥和磷肥的保 肥性能较差 肥料浓度越大流失越严重 当土壤质量为1 3 2g 高度为6c m 时 加入5 0 面浓度分别为4 0m g l 6 0m g l 8 0m g l 的氯化铵和磷酸二氢钾溶液 经4 次淋洗 后铵态氮和磷元素累积溶出率分别为2 2 1 2 3 3 2 4 5 和2 3 8 2 5 7 2 8 1 考察了竹炭粒径 竹炭与土壤的混合形式 竹炭的用量 肥料的浓度等因素对 土壤和竹炭混合物保肥性能的影响 结果表明 竹炭的粒径 用量 竹炭与土壤的 混合形式 肥料的浓度对竹炭在土壤中的保肥性能均有一定的影响 竹炭粒径越小 用量越多 肥料的浓度越低 竹炭与土壤均匀混合时保肥性能较好 当1 3 2g 土壤与 8 8g 竹炭 即竹炭和土壤的配比为1 1 5 均匀混合时 加入5 0m l 浓度为4 0m g l 的氯 化铵和磷酸二氢钾溶液 经4 次淋洗后铵态氮和磷元素累积溶出率只有1 0 4 和1 2 7 比空白土壤分别减少了1 1 7 和1 1 1 4 竹炭一聚乙烯醇土壤改良剂的制备及其性能研究 本文以聚乙烯醇为胶黏剂用加热溶解法制成了竹炭一聚乙烯醇土壤改良剂制 品 采用扫描电镜 比表面积检测等分析方法对样品进行了表征 结果表明 聚乙 烯醇较均匀地分布在竹炭上 竹炭的大部分孔隙没被堵塞 混合材料的比表面积较 竹炭有所减低 但降低的幅度不大 考察了样品在不同水溶液中的吸水性能和耐热性能 结果表明 p v a 添加量为3 的样品在p h 7 的水中吸水达到饱和状态时的含水率为1 0 6 2 在温度小于等于7 0 的水里浸泡1 0 小时也不会溶解 i v 中文文摘 考察了样品对土壤的吸水 保水 保肥性能 结果表明 样品在土壤中具有较 好的吸水 保水 保肥性能 在3 0 0g 土壤的中层填放p v a 含量为3 的样品时 吸水饱和时的含水率为3 1 8 比空白土壤提高了1 0 在环境温度为6 0 时的保 水时间为3 5h 比空白土壤长了1 7h 在土壤中加入5 0 浓度为8 0m g l 的氯化铵 和磷酸二氢钾溶液 经5 次淋洗后铵态氮和磷元素累积溶出率分别为1 5 2 和1 8 6 比空白土壤分别减少了9 4 和1 1 6 v 福建师范大学硕士学位论文 目录 中文摘要 i 中文文摘 i i i 目录 v i 者论 1 第1 章竹炭对有机磷农药的吸附性能研究 1 3 1 1 前言 1 3 1 2 实验部分 1 3 1 2 1 化学试剂与仪器 1 3 1 2 2 溶液的配制 1 4 1 2 3 实验方法 1 4 1 2 4 实验步骤 1 4 1 3 结果与讨论 1 5 1 3 1 乙酰甲胺磷最佳检测波长的确定 1 5 1 3 2 乙酰甲胺磷标准曲线的绘制 1 6 1 3 3 敌敌畏标准曲线的绘制 1 6 1 3 4 穿透吸附试验的影响因素研究 1 7 1 3 5 竹炭对乙酰甲胺磷 敌敌畏吸附的穿透特性 2 4 1 3 6 竹炭的再生穿透吸附试验 2 6 1 4d 结 2 7 第2 章竹炭对土壤吸水 保水性能的研究 2 9 2 1 前言 2 9 2 2 实验部分 2 9 2 2 1 化学试剂与仪器 2 9 2 2 2 实验方法 2 9 2 2 3 实验步骤 3 0 2 3 结果与讨论 3 0 2 3 1 单一竹炭的吸水 保水性能 3 0 2 3 2 单一土壤的吸水 保水性能 3 4 2 3 3 单一竹炭和土壤的吸水 保水性能比较 3 6 v i 目录 2 3 4 土壤与竹炭混合物的吸水 保水性能 3 7 2 4d 结 4 1 第3 章竹炭对土壤保肥性能的研究 4 3 3 1 前言 4 3 3 2 实验部分 4 3 3 2 1 化学试剂与仪器 4 3 3 2 2 溶液的配制 4 4 3 2 3 离子浓度的测定原理 4 4 3 2 4 实验方法 4 4 3 3 结果与讨论 4 5 3 3 1 氨氮标准曲线的绘制 3 3 2 磷离子标准曲线的绘制 4 5 3 3 3 竹炭的f t i r 图谱分析 4 6 3 3 4 单一土壤的保肥性能研究 4 7 3 3 5 土壤与竹炭混合物的保肥性能研究 4 8 3 4 j 结 5 4 第4 章竹炭 聚乙烯醇土壤改良剂的制备及性能研究 5 5 4 1 前言 5 5 4 2 实验部分 5 5 4 2 1 仪器和试剂 5 5 4 2 2 溶液的配制 4 2 3 实验方法 5 6 4 3 结果与讨论 5 7 4 3 1 样品的制备 5 7 4 3 2 样品的s e m 观察 5 7 4 3 3b e t 分析 5 8 4 3 4 不同p v a 含量样品的吸水性能观察 6 0 4 3 5 样品在不同溶液中的吸水性能测定 6 l 4 3 6 样品在不同温度热水中的耐热性能观察 6 2 4 3 7 样品对土壤吸水 保水性能的影响因素研究 6 2 v l i 福建师范大学硕士学位论文 4 3 8 样品对土壤的保肥性能 6 4 4 44 结 6 7 第5 章结论 6 9 参考文献 7 l 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 8 0 致谢 8 1 个人简历 8 2 v i i i 绪论 绪论 随着我国农业和农村经济的快速发展和人口的急剧增加 农业生态环境不断恶 化 农业环境污染已经成为制约农业和农村经济可持续发展的重要因素 其中尤以 土壤污染和水污染影响深远 l 农药和化肥为现代农业的发展提供了保障 为农田 病虫害的消灭和农作物的营养供给提供了前提条件 农药和化肥的发明和使用 是 农业发展史上的一次重大变革 极大地提高了农作物的产量 缓解了全球的粮食危 机 为世界经济的不断发展创造了条件 但是 农药和化肥的施用 造成了严重的 环境污染和农业生态系统的破坏 农业污染是因各种农业生产活动所造成的污染 主要包括农药污染 化肥污染 农业废弃物污染等 2 但农药 化肥不论以何种方 式施用 都会直接或间接地进入土壤中 据此 土壤被看成是农药 化肥的 贮藏 库 不仅是贮藏的场所 也是向大气扩散 向水 植物 动物体内转移的中心p j 土壤中的农药 化肥 在雨水或灌溉水的作用下 通过地表径流 淋溶等途径进入 地表水和地下水 从而引起地表水体甚至地下水体的污染 4 0 1 农药污染 我国是一个农药施用量居世界前列的农业大国 但由于长期 大量 不合理地 施用农药 在农药为现代农业发展提供必要物质保障的同时 也造成了严重的土壤环 境污染 目前 我国每年施用农药量达5 0 6 0 万t 其中7 0 8 0 直接进入环境 5 1 农药有效利用率仅为2 0 3 0 全国至少有1 3 0 0 1 6 0 0 万h m 2 耕地受到农药污染 越来越严重地直接或间接危害着人们的生活 生产活动 6 由于农药有效利用率较低 喷施农药时 只有不超过1 0 的粉剂农药附着在作 物上 液剂常低于3 0 飘浮于空气中的农药微粒和蒸汽约5 3 0 降落到地面 残留于土壤中的药剂约4 0 6 0 进而通过径流 入渗污染地表水与地下水 7 o 2 水资源短缺 我国是世界严重缺水的国家之一 农业是用水最大用户 全国总用水量的7 0 是农业用水 总量为4 0 0 0 亿m 3 而农田灌溉水的利用率平均仅为4 0 4 5 左右 农田灌溉水的利用效率仅有1 0k 卧n 3 左右 与发达国家7 0 8 0 和2 0k g m 3 以 p 的水平相比 我国农田水分利用率和水分利用效率都比较低 在不增加现有农田灌 溉用水量的情况下 2 0 3 0 年全国缺水高达1 3 0 0 亿一 2 6 0 0 亿m 3 其中农业缺水5 0 0 亿 7 0 0 亿m 3 8 o 在水资源短缺的情况下 很多地方又面临着干旱的威胁 干旱是一定地区近地 福建师范大学硕士学位论文 面生态系统水分不足时的一种自然现象 干旱作为农业生产中最严重的自然灾害 在世界各地普遍地存在 在各个历史时期频繁地发生 频繁的干旱迫使人们农业资 源的投入大量地增加 农业成本进一步提高 干旱的威胁不仅存在于干旱和半干旱 气候区 在湿润和半湿润地区也是主要的自然灾害之一 9 我国绝大部分地区属于季风气候区 其特点是降水量的季节波动与年际变化很 突出 空间分布也很不均匀 发生干旱的频率较大 与其它的气候灾害相比 对粮 食产量的影响也最大 新中国成立5 0 年来 我国年均受旱面积占全国耕地总面积的 2 0 左右 约2 0 0 0 万h m 其中成灾面积超过8 0 0 万h m 2 平均每年达1 0 0 0 万t 的粮食因 干旱而造成减产 2 0 世纪8 0 年代以来 我国旱灾呈加重趋势 1 9 8 6 一 1 9 9 5 年的l o 年 间 有5 年发生了严重干旱 平均每年因旱灾损失粮食2 0 0 0 万t 9 1 0 3 化肥污染 我国是世界上化肥生产和消费的大国 中国的化肥施用量增长速度快 呈现逐 年递增的趋势 1 9 8 5 年全国化肥施用总量为1 7 7 5 8 万t 2 0 0 2 年达4 3 3 9 5 y y t 比1 9 8 5 年增长1 4 倍 至t 2 0 1 0 年将达n 5 0 0 0 万t 以上 年平均增长率为8 与此同时 单位 面积化肥施用量也呈逐年递增趋势 2 0 0 2 年达至i 3 3 3 7k g h m 2 1 0 1 1 1 但化肥利用率 较低 在有力推动农作物生长的同时也带来了严重的环境污染问题 研究表明 我 国氮肥利用率仅为3 0 3 5 磷肥1 0 2 0 钾肥为3 5 5 0 1 2 土壤再生产能 力的逐渐下降在很大程度上是由于大量施用化肥造成的 化肥的长期大量施用 特 别是单质肥料 使土壤的酸性逐渐增强 土壤理化性质恶化 降低了土壤的生产力 使铝 锰 镉 汞 铅 铬等有害重金属元素得到了活化 它们在土壤中的活性增 加了 或释放出有毒物质 对土壤生物造成进一步的危害 l3 1 土壤里未被利用的养 分还会通过径流 淋溶等途径进入环境 污染水体 而在众多的化肥生产和消费中 氮肥以约占生产总量的8 0 消费总量的7 0 位居首位 每亩耕地施用氮肥量已名列世界前列 但有效利用率较低 在施入土壤 的氮素中 能被作物利用的氮素只占3 0 多 被作物的根 茎及土壤微生物固定在 土壤中的约占2 0 随雨水或灌溉水流失或分解进入空气中的约占4 0 5 0 可见 施入土壤的氮肥中约有一半会进入水和空气中 据统计 中国在1 9 8 4 1 9 9 6 年1 2 年 间投入农业的氮肥为2 2 亿t 氮 约有1 亿t 氮随雨水流失或逸入空气中 损失2 0 0 0 亿 元 平均每年损失近1 7 0 亿元 施入土壤的氮肥被水冲刷进入地下水 几天后便大部 分转变为硝酸盐 使地下水中硝酸盐含量超标 1 4 j 2 绪论 0 4 目前农药 化肥污染的防治措施 农药 化肥污染不仅直接危害农业生态系统 而且对部分水环境和人类健康构 成了严重的威胁 目前已经成为影响农村生态环境质量的关键污染源 其发展趋势 令人担心 如果不采取有力的防治措施 其后果将更加严重 目前常用的农药污染防治措施主要有 合理使用现有农药 开发高效低毒农药 研究开发生物农药 研究开发物理农药 培育抗病虫害作物 综合防治病虫草割 采用生物修复技术净化农药环境污染 采用生物防治技术防治病虫害 l6 等 田洪磊等研究了活性炭和硅藻土对浓缩苹果汁中甲胺磷农药的吸附性能 结果 表明 活性炭和硅藻土对浓缩苹果汁中的甲胺磷有较好的吸附性能 且活性炭和硅 藻土的添加量对吸附效果的影响较大 吸附效果也受吸附时间的影响 而不受吸附 温度的影响 活性炭吸附处理最佳条件为 活性炭添加量1 5 硅藻土添加量6 3 吸附处理时间1m i n e l 7 j 李国华等在大孔吸附树脂对有机磷农药吸附性能的研究中 选用苯乙烯型大孔吸附树脂对有机磷农药进行动 静态吸附性能实验 结果表明 h a 系列大孔吸附树脂对敌敌畏和氧化乐果均有良好的吸附效果 吸附率在9 0 以上 吸附速率也较快 1 8 曾清如等研究了c t m a b 一膨润土对水溶液中4 种农药的吸附特性 结果表明 c t m a b 一膨润土对水溶液中甲萘威 甲基对硫磷 克百威 多菌灵4 种农药 有较强的吸附性能 且吸附性能随着表面活性剂浓度的增大而增强 但c t m a b 浓度 4 时 吸附性能就不再随着加入量的增加而增强 有机膨润土在i 0m i n 内就对4 种农 药达到了有效吸附 吸附还受p h 值变化的影响 并与农药性质有关 1 9 胡巧开在粉 煤灰和壳聚糖对乐果的吸附研究中发现 壳聚糖对乐果有较强的吸附性能 在室温 p h 5 的条件下 对3 0m g l 乐果废水振荡吸附3 0 m i n 去除率达9 0 1 用粉煤灰替 代部分壳聚糖后对乐果的吸附去除效果更好 对浓度小于等于3 0m g l 的乐果废水进 行吸附处理 去除率大于9 3 3 达n t 我国废水综合排放三级标准 2 0 鲁连胜等研 究了石墨化碳黑对水中痕量有机污染物的吸附和洗脱 结果表明 石墨化碳黑能够 吸附水中多种痕量有机污染物 并能选择适当的溶剂洗脱 石墨化碳黑吸附水中含 氯农药效果很好 主要优点是能够处理大剂量的试样 节省试剂 浓缩倍数大 提高 了测试方法的灵敏度 2 l 黄锦霞在活性炭吸附法处理三种有机磷农药混合废水研究 中发现 用活性炭吸附法处理1 6 0 5 4 0 4 9 乐果三种有机磷农药混合废水 化学耗 氧量 c o d 的平均去除率达5 0 5 5 有机磷去除率达9 0 使用过的废活性炭经多 次热再生活化后 炭的碘值可恢复至新炭的9 0 以上 处理废水能力仍未见降低 1 福建师范大学硕士学位论文 化肥为农业生态系统和农业生产的可持续发展做出了重要贡献 然而长期 不 合理 不科学使用的现象普遍存在 既造成了肥料资源的浪费 又造成了生态环境 的污染 因此科学施肥 防治化肥污染已迫在眉睫 目前常用的化肥污染防治措施 主要有 1 加大化肥污染的宣传力度 加强农村环保意识 完善农村环保农技科普机制 使农村政府领导的环保意识 进一步提高 加大媒体的宣传力度 测土配肥技术得到推广和普及 深耕深施 平 衡施肥 合理灌溉 减少肥料的流失 施肥水平得到科学的提升 控制氮 磷流失 减少对生态环境的污染 2 3 1 2 开发利用有机肥料 有机肥与其它任何一种化肥相比 具有其它化肥所没有的以下优点 第一 有 机肥是 完全肥料 作物营养的主要来源是有机质 据研究表明 通过有机质分 解提供的二氧化碳 能使作物增产4 0 左右 第二 有机质使土壤中有益微生物的 活动进一步加强 有机质可作为微生物的 粮食 微生物把有机质中作物不能吸 收的部分转化为可利用的部分 第三 有机质促进了土壤团粒结构的形成 提高了 土壤的保水 保肥和缓冲能力 2 4 2 6 1 3 开发研制新型无污染肥料 研制开发长效无污染肥料 推广测土配肥 根据不同作物配制专用肥 提高肥 料的利用率 研制生物肥 有机肥 使土壤质量因微生物 有机物的充分利用而得 到改善 实现节约资源保护环境 达到农业可持续发展团 4 施用硝化抑制剂 硝化抑制剂又称氮肥增效剂 能够使土壤中铵态氮转化成亚硝态氮和硝态氮的 现象得到抑制 提高化肥的肥效和减少土壤污染 因为抑制了硝化细菌的活性 减 缓了铵态氮的硝化 所以氮素以铵的形式存在的时间较常 减少了对土壤的污染 2 7 1 5 发展缓控释肥是解决当前化肥利用率低的有效途径 研究表明 施用缓控释氮肥 可以使氮的利用率提高n 6 0 8 0 在达到相同 农作物产量的情况下 可降低施肥量1 0 5 0 2 8 1 因此 缓控释肥对提高肥料利用 率 减少对生态系统的污染 保障农业安全具有重要作用和意义 2 9 1 目前世界上已投入工业化生产的缓控释肥的品种有脲甲醛 草酰胺 硫衣包膜 尿素和聚合物包膜肥料 3 0 3 1 1 其中占有较大比例的是包膜缓控释肥 其需求量逐年增 4 绪论 长 3 2 1 2 0 0 4 2 0 0 5 年 世界缓控释肥料消费量达8 0 7 吨 比1 9 9 5 1 9 9 6 年增长4 0 3 3 1 2 0 世纪8 0 年代末期 国外开始应用生物质材料研制包衣缓 控释肥 3 4 1 9 8 9 年 j i m e n e z 等用松香与磷酸钙分别包衣尿素 硝酸铵等肥料 发现虽然有一定缓 控释 效果 但松香易氧化 稳定性较差 3 5 2 0 0 2 年m a r i a 等将羧甲基纤维素的控释性能与 合成高分子聚丙烯腈 聚砜的控释性能进行了比较 发现羧甲基纤维素具有更好的 控释效果和生物降解性 3 6 2 0 0 4 年t o m a s z e w s k a 等利用淀粉和聚砜为主要原料 采用 相转移法制备了淀粉基控释肥料 通过改变淀粉含量和包衣层数研究了其控释效果 3 7 1 2 0 0 7 年b e r t u z z i 等利用玉米淀粉为原料 经碱处理后加适量增塑剂流延制备了 淀粉基膜 并研究了该膜的理化性质 控释性能良好 3 8 我国缓 控释肥料的研究与开发起步较晚 1 9 7 3 年南京土壤研究所成功研制出钙 镁磷肥包衣的长效碳酸氢铵 这是我国最早的缓释 长效 肥料 3 4 此后 又有很 多学者对此进行了研究 牟林等在不同无机矿物应用于包膜复合肥的氮素释放特征 及其评价的研究中发现 无机矿物材料能有效地保持氮素养分较长时间处于n h 4 一 形态 减少了因转化为n 0 一一n 形态造成的养分淋溶损失 与普通复合肥相比 各无机 矿物应用于包膜肥后能显著提高氮素利用率 3 9 祝丽香等在控释复合肥对白菊花生 长发育及产量品质的影响研究中发现 控释复合肥能够促进白菊花的生长发育 控 释复合肥处理植株茎粗比普通复合肥处理增加7 5 3 7 6 控释复合肥处理植物 株叶绿素含量在不同发育时期均比普通复合肥处理的高 4 0 l 张义志等采用模拟灌溉 和模拟降雨的方法 研究了不同控释氮比例的控释氮掺混肥在原状土柱土壤中养分 的淋失特征 结果表明 控释氮掺混肥明显降低了铵态氮 硝态氮在土壤中的淋溶 损失 使土壤p h 值缓冲性增强了 后期土壤溶液电导率提高了 4 l 邹煜在缓控释肥 对水稻的应用效应研究中发现 施用缓控释肥与施用配方肥 普通化肥相比 对水稻 有一定的增产效应 分蘖成穗率比配方肥增加1 5 个百分点 比习惯施肥增加4 6 个百 分点 4 2 1 0 5 竹炭在土壤改良中的应用进展 o 5 1 竹炭的形成及制备 竹炭就是竹材中的纤维素 半纤维素和少量木质素在高温 缺氧的条件下 不 同程度地分解炭化而形成的主要产品 目前由竹材制备竹炭的方法主要有干馏釜热 解法和土窑直接烧制法 4 3 舶 竹材的热分解主要分为 干燥 预炭化 炭化 精炼 四个阶段 4 5 1 竹材热解时还会得到粗竹醋酸液及气体 又名木煤气 等副产品 4 6 4 8 福建师范大学硕士学位论文 0 5 2 竹炭的研究现状 中国竹类资源丰富 素有 竹子王国 之称 而竹子具有生长周期短 产量高 成材快的特性 4 9 1 随着全球环境污染问题的日趋严重以及人们环保意识的不断增强 竹炭的研究和利用越来越受到人们的重视 竹炭产业首先在日本 韩国兴起 发展 较快 较好 而在中国起步较晚 可以说是近几年刚刚兴起的新兴研究领域 随着 竹炭热潮的来临和人们环保意识的加强 竹炭这种新型的环保材料必将具有广阔的 应用前景和巨大的发展潜能 开发竹炭应用技术也必将成为广大科研工作者的重要 研究领域和课题 目前关于竹炭的研究主要集中在以下几方面 竹材的热解过程 5 0 l 竹炭的制备 及改性 5 l 5 2 1 竹炭的表征 5 3 竹炭的性能研究 包括竹炭的吸附 导电性能等 竹炭的应用研究 0 5 3 竹炭的吸附性能 吸附是在一定条件下 一种物质的分子 原子或离子能自动地附着在某固体表 面上的现象 或者某物质在界面层中 浓度自动发生变化的现象 竹炭的碳微晶类 似石墨 彼此间按 螺层形结构 排列 发达的微孔结构是由微晶间的强烈交联形成 的 经过高温煅烧 竹炭表面的孔隙变得大小不等 进而出现不完整的孔隙表面结 构 由于灰分和杂原子的存在 导致竹炭的基本结构产生缺陷和不饱和价 这些缺 陷容易吸附氧原子和杂原子 这就是竹炭表面吸附作用产生的原因 5 4 5 7 1 竹炭的吸附作用包括物理吸附和化学吸附 以物理吸附为主 产生物理吸附的 力是范德华力 是由吸附剂表面与吸附质分子之间相互作用产生的 物理吸附具有 无选择性 可逆性 由单分子层过渡到多分子层 不需要活化能 吸附速度快 容 易达到平衡等特点 化学吸附则是由吸附剂与吸附质间的化学键引起的 具有选择 性 不可逆性 放热多 单分子层吸附 吸附速度慢 难以达到平衡等特点 物理 吸附和化学吸附往往可同时发生 没有严格的界限 通常情况下 低温时主要发生 物理吸附 高温时主要发生化学吸附 竹炭的吸附容量主要由其比表面积决定 比表面积越大 孔隙就越多 所吸附 的吸附质就越多 而吸附速率主要与粒径和细孔分布有关 5 8 4 1 1 o 5 4 竹炭的吸湿性能 竹炭作为一种机能性的环境保护材料 吸湿特性是其重要性质之一 据有关资 料介绍 1 0 0k g 竹炭可以吸收空气中的4k g 水分 一个1 0 0m 2 的三居室 使用4 0 0 6 绪论 5 0 0k g 竹炭即可达到调节室内水分和净化空气的目的1 6 2 卢克阳等在竹炭吸湿性能 的初步研究中发现 炭化温度对竹炭的吸湿性能有一定的影响 7 0 0 1 0 0 0 条 件下烧制的竹炭吸湿性能比其他炭化温度下烧制的竹炭好 竹炭的吸湿量受粒径大 小的影响很小 比表面积对竹炭的吸湿量有影响 但并不成比例关系 升高环境温 度 竹炭的吸湿性能降低 6 引 o 5 5 竹炭在土壤改良中的应用 竹炭可作为土壤微生物和土壤营养成份的载体 为植物的生长提供钙 钾 钠 镁多种矿物质 使土壤的保水保肥能力得到了提高 能促进营养物质的持续吸收和 动态平衡 此外 碱性竹炭可以中和显酸性的土壤 增强土壤的肥力 据调查 日 韩 台的农民 都习惯撤1 0k g 6 6 7m 2a 左右的竹炭粉粒来改良土壤 广西桂林 地区用于水稻 蔬菜 茶叶的有机栽培中 效果明显1 6 4 竹炭施入土壤后 由于黑 色炭粒吸收太阳热能 可升高土壤表面温度 促进种子发芽 提高发芽率 可用来 改良土壤 作为农药或肥料的缓释剂 使农药或肥料缓慢释放 且不易随雨水流失 4 9 张齐生等的研究表明 竹炭对水中有机磷等有机污染物的净化效果十分明显 对某些农药中的有害物质去除能力也较强 据研究 施用过竹炭的土壤 桃树的产 量和品质都比没施用过竹炭的土壤好 高尔夫球场和绿地草坪在施用竹炭后 生长 良好且容易管理 t h o s h ia n dt k a n e k o 用3 年时间对施用了竹炭的绿茶茶园的土壤 状况进行了测试 发现添加了竹炭的土壤 能较长时间地保持土壤的肥力 并且能 够使适合茶树生长的土壤p h 值较长时间地保持着 6 5 1 王伟龙等在竹炭对草本花卉生 长的影响研究中发现 竹炭颗粒使土壤的理化性质得到改善 土壤的p h 值 孔隙度 持水率 速效n p k c a m g f e 的含量均得到了提高 竹炭颗粒基质还促进了植 物根 茎 叶生长和花蕾的形成 且用量要适当 矧 傅秋华等研究了竹炭对土壤性 质和高羊茅生长的影响 结果表明 土壤施用了竹炭颗粒 能改善其理化性能 显 著提高了水解氮 有效磷 速效钾 交换性钙和镁等元素的含量 降低了有效锌和 铜等金属的含量 不同程度地促进了高羊茅的发根 发叶及生长 6 7 钟雪梅等研究 了竹炭包膜氮肥的利用率比较 结果表明 尿素施加到土壤中后淋失比较严重 竹 炭包膜肥氮的溶出率与尿素对照组相比明显的降低 用竹炭等包膜材料对尿素包膜 处理后 可提高l o 2 5 的氮素利用率 减少氦素溶出损失 为减少对水体的污染 起到积极的作用 6 8 纪锐琳等在竹炭包膜尿素氮释放特性的影响因素研究中发现 竹炭包膜尿素氮的溶出率和氨挥发量在各种土壤中均比普通尿素低 竹炭包膜尿素 7 福建师范大学硕士学位论文 的氮溶出率与肥水比和浸提温度有关 随着它们的增大而明显升高 并且浸提温度 越高 氮溶出率增加的幅度越大 浸提液中离子浓度越大 竹炭包膜尿素中氮溶出 率越小 6 9 纪锐琳等在土壤中采用 静态吸收法 研究了自制竹炭包膜尿素 b c c u 的氨挥发损失情况 并考察了氨挥发损失受施肥量 土壤含水量 土壤温度和土壤 类型等因素的影响情况 研究发现 自制的竹炭包膜尿素能明显的减少氨挥发损失 量 在每千克土壤中 施氮6 0 0m g 时 两种包膜氮肥分别比尿素氨挥发损失量减少 3 1 8 和1 9 3 如果增加到1 0 0 0m g 时 则分别减少了2 1 8 2 和1 6 6 6 7 0 l 张爱莉 等通过静态实验研究了竹炭对氨氮的吸附性能及其影响因素 研究发现 竹炭对氨 氮的吸附过程符合准二级动力学模型 竹炭对氨氮的等温吸附符合l a n g m u i r 和 f r e u n d li c h 等温吸附方程 相关系数r 2 达到极显著相关 p o 0 1 当p h 为4 9 3 9 0 3 时 随着p h 的升高吸附量增大 升高温度能促进竹炭对氨氮的吸附 7 i 王祝来等研 究了竹炭对水溶液中氨氮的吸附性能 考察了竹炭粒径 溶液初始浓度 p h 值 吸 附时间对吸附效果的影响 发现 当p h p p o 图4 3吸附 脱附曲线 a c c 蔹t b 竹炭一聚乙烯醇口v a 含量3 f i g 4 3 a d s o r p t i o n d e s o r p t i o ni s o t h e r m a b ca n d b b c p r a 5 9 福建师范大学硕士学位论文 4 口 屯 图4 4m p p l o t 分析曲线 f i g 4 4m p p l o t 同时 得到了n 2 吸附 脱附曲线 如图 所示 由图可以看出 竹炭相对于 b c p v a 混合材料具有较大的n 2 吸附量 这可能是由于p v a 进入孔内 堵塞了一部 分孔隙 导致比表面积降低 吸附量下降 图似是m p p l o t 的分析结果 从图中 可以看出 竹炭和b c p v a 混合材料的孔径都以微孔为主 在0 7n m 处都出现了波 峰 4 3 4 不同p v a 含量样品的吸水性能观察 分别取p v a 含量为2 3 4 的柱形竹炭各一个 称其质量 将其放入适量 的水中使它们充分吸水 每隔一定的时间将其从水中取出称量 直至其质量不再增 加即表明其吸水达到饱和状态 按照上面的测定方法分别计算其含水率 干燥后按 同样的方法再次让其吸水达到饱和状态并计算其含水率 结果如表4 2 所示 由表4 2 可见 在p v a 添加量较少的情况下对样品吸水性能的影响很小 而且 具有重复使用其吸水性能几乎不降低的特点 但p v a 含量为2 的样品在水中浸泡 1 0h 会部分溶解而p v a 含量为3 4 的样品在水中浸泡2 4h 也不会溶解 考虑 到竹炭颗粒间粘结的牢固性 制品的耐热性能 饱和含水率和制样成本等 以下 实验选用p v a 含量为3 的样品为研究对象 第四章竹炭 聚乙烯醇土壤改良剂的制备及性能研究 表4 2 不周p v a 含量样品的吸水性能比较 t a b l e4 2t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fw a t e ra b s o r p t i o no fd i f f e r e n tp v ac o n t e n ts a m p l e s 泌 2 3 4 项目 吸水前质量 g 4 0 23 9 9 4 o l 饱和吸水后质量 g 8 2 9 8 1 98 1 4 饱和含水率 1 0 6 21 0 5 31 0 3 1 第二次重复使用饱和 1 0 6 11 0 5 0 1 0 2 5 含水率 4 3 5 样品在不同溶液中的吸水性能测定 分别取p v a 含量为3 的样品各一个 加入到蒸馏水 1 的c a c h 溶液 p h 4 的水 p h 7 的水 p h 1 0 的水中 分别测定其吸水速率及饱和含水率 结果如图4 5 4 6 所示 水 瓣 餐 钿 1 02 03 04 0 时间 m i n 图4 5 样品在蒸馏水和1 c a c l 2 溶液中的吸水性能比较 f i g4 5t h ec o m p a r i s o no fs a m p l e si nd i s t i l l e dw a t e ra n d1 c a c l 2s o l u t i o ni nt h ea b s o r b e n t 由图4 5 4 6 可见 样品在不同水溶液中的吸水性能差别很小 而且吸水速率 都较快 1 5 分钟基本达到饱和 在蒸馏水和1 的c a c l 溶液中吸水性能几乎一样 两 条曲线基本重合 在不同p h 值的水中吸水性能有所差别 但差别也较小 在p h 4 p h 7 p h 1 0 的水溶液中吸水达到饱和时的含水率分别为1 0 2 8 1 0 6 2 1 0 9 1 6 l 加 如加0 福建师范大学硕士学位论文 在酸性溶液中的饱和含水率稍低 在碱性溶液中的饱和含水率稍高 这可能与竹炭 表面的含氧官能团结构有关 求 静 钿 0 1 02 03 04 0 时间 m i n 图4 6 样品在不同p h 值水中的吸水性能比较 f i g4 6t h ec o m p a r i s o no fs a m p l e si nd i f f e r e n tp hv a l u ew a t e ra b s o r b i n gw a t e rp e r f o r m a n c e 4 3 6 样品在不同温度热水中的耐热性能观察 分别取p v a 含量为3 的样品各一个 加入到温度分别为5 0 6 0 7 0 8 0 的恒温水浴中 恒温l o j 时 结果如表4 3 所示 表4 3 样品的耐热性能观察 t a b l e4 3o b s e r v a t i o no f t h es a m p l e sh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s 一 5 06 07 08 0 恒温时间 h 1 0 不溶不溶 不溶部分溶 由表可见 样品具有较好的耐热性能 在温度小于等于7 0 c 的水里浸泡1 0 小 时也不会溶解 在温度等于8 0 的水中浸泡1 0 小时也只有部分溶解 完全适应在 环境温度较高土壤中的使用要求 4 3 7 样品对土壤吸水 保水性能的影响因素研究 4 3 7 1 样品的填放方式 称取3 0 0g 土壤四份 其中一份土壤直接装入直径8c m 高9c m 底部钻有小孔 加 们 幻 o 第四章竹炭 聚乙烯醇土壤改良剂的制各及性能研究 并铺上尼龙布的塑料瓶中 土高5e m 另三份按照样品在土壤上层 中层 下层的 方式装入塑料瓶中 装入8 个 下同 用喷壶缓慢均匀地加入水 使空白土壤 土 壤与样品的混合物吸水达到饱和状态 放置一定时间使其不再滴水 用天平进行称 重 然后放入设定温度为6 0 的电热鼓风干燥箱中 每隔五小时取出称其重量 记 录其失水情况 计算其含水率 空白土壤和样品与土壤混合物的吸水 保水情况如 图4 7 曲线所示 由图4 7 可见 加有p v a 柱形竹炭的土壤 即土壤和竹炭的混合物 的含水率 和保持水分的时间明显好于不加竹炭的土壤 没加竹炭样品的土壤吸水饱和时的含 水率仅为2 1 8 样品填放在土壤上层 中层 下层的吸水饱和时的含水率分别为 3 0 9 3 1 8 3 1 2 样品的填放方式对其吸水性能的影响较小 但对其保水