CN105295931A - 一种凹凸棒基土壤重金属修复剂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及利用凹凸棒制备重金属污染土壤的修复剂。一种凹凸棒基土壤重金属修复剂经过原矿破碎、酸化处理、晾晒筛分、焙烤和土壤重金属修复等多个步骤制得。本发明经过酸化和热改性凹凸棒基土壤重金属污染修复剂，凹凸棒石黏土经过硫酸酸化处理，具有比表面积大、孔隙率高的特点，其活性和吸附性能都得到了较大的提高，能够有效降低土壤中可溶态重金属的比例，达到钝化土壤重金属效果，修复土壤重金属污染。
Description
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及利用凹凸棒制备重金属污染土壤的修复剂。
背景技术
随着现代工农业的快速发展，我国工业和农业用地的土壤重金属污染问题越来越严重。目前我国受Cd、As、Cr、Pb等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，约占总耕地面积的1/5。由于重金属污染具有长期性、普遍性、隐蔽性和难自然消解性等特点，治理重金属污染土壤仍是当今世界的一大难题。土壤重金属污染会通过水体、大气和食物链循环进入动物和人体，从而危害人畜的健康，引发癌症或慢性疾病等。越来越严重的土壤重金属污染还会导致农作物减产或绝收。
目前土壤重金属污染治理方法主要分为工程修复和生物修复。每种方法都存在一定的优缺点。工程修复重金属污染土壤，具有效果彻底、稳定等优点，但工程量大、治理费用高、易引起土壤肥力减弱。生物修复措施实施较简便、投资较少、对环境扰动少，但治理效率低，主要表现在已经生产利用的超积累植物通常都矮小、生物量低、生长缓慢且周期长，难以达到修复目标。如果使用特定微生物修复重金属污染土壤，存在微生物抗性差、难以很快适应，在土壤环境中的移动性能差，易受污染物毒性效应的抑制等缺点。
在近几年公开的专利申请文件中，有利用植物浆液作为修复剂的方法，如申请号为200610022669.6（公开号为CN1974032A）的申请文件公开了一种名称为“一种修复矿山土壤和污泥重金属污染的方法”的技术方案，该技术方案是在污染土壤中种植秃疮花以达到修复土壤的目的；还有类似的利用种植多种植物来达到修复多种重金属污染土壤目的的，例如，申请号为200710070571（公开号为CN101116864A）的申请文件公开了一种名为“福锌铅铜复合污染土壤的植物系统修复方法”的技术方案，就是采用在被福、锌、铅、铜复合污染的土壤间作东南景天和海洲香蕾，通过东南景天根系对福、锌、铅的吸收，海洲香蕾对铜的吸收，定期收割东南景天和海洲香蕾。这一类方法除了生长缓慢且周期长（需要植物种植生长收获期及后续处理），还存在超积累植物通常都矮小、生物量低，且不能治理多种重金属污染，不能治理重污染土壤。
另外，申请号为200510031863（公开号为CN1714955A）的申请文件公开了一种名称为“重金属污染土壤阴极酸化电动力修复方法”，其主要将污染土壤加一定量的水，再通入恒直流电，污染土壤中的重金属在电场的作用下迁移出土壤，虽然能够达到一定的效果，但难以大面积推广，还可能会对土壤的性质和结构造成破坏。
凹凸棒石矿物几乎遍及世界各地，我国甘肃、江苏、安徽等地探明许多凹凸棒土矿点，产量以江苏盯胎居首位。现已探明甘肃的凹凸棒石储量高达10亿吨以上，点全球储量的50%以上。虽然我国凹凸棒石的资源储量很大，但是由于发现的较晚，其开发利用水平较低，加上国家非金属矿加工业基础相对薄弱，可以生产的凹凸棒土产品和其它国家相比还相当的少，以致于使这种经济意义重大的矿藏的应用还只限于一般的填料，甚至以原土的形式廉价地出口，造成资源的浪费。
发明内容
本发明的目的是克服现有重金属污染土壤修复技术和材料的不足之处，提供一种成本低廉、效果良好、环境友好、应用范围广泛的土壤重金属修复剂。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，包括如下制备步骤：
A、原矿破碎
将凹凸棒矿石破碎，破碎目数30目-60目；
B、酸化处理
水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度1~3mol/L的硫酸溶液，在步骤A中破碎的凹凸棒矿石中加入硫酸溶液，酸化处理4小时制成凹凸棒粘土；
C、晾晒筛分
将酸化后的凹凸棒粘土进行晾晒，晾晒使得凹凸棒粘土含水率降至15%，然后进行粉碎，并进行筛分得到凹凸棒粉，筛网粒度为100-150目；
D、焙烤
将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在300-360℃，焙烧时间45-120分钟；
E、土壤重金属修复
测定土壤中重金属离子的摩尔浓度，将凹凸棒粉溶解于水中制得凹凸棒粉溶液，凹凸棒粉溶液的摩尔浓度为土壤中重金属离子的摩尔浓度的10~50倍，并将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度20~80℃，吸附时间20~80分钟。
所述步骤B中水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度2mol/L的硫酸溶液。
所述步骤C中将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在360℃，焙烧时间60分钟；
所述凹凸棒粉送入造粒机进行造粒处理，粒径为2.5～3.5毫米。将颗粒进行包装便于销售和运输。
所述步骤E中将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度80℃，吸附时间20分钟。
所述步骤E中凹凸棒粉溶液重加入脱硫剂石灰石，根据凹凸棒粉溶液体积脱硫剂石灰石添加量为2~8g/L。
本发明的有益效果为：
本发明所用的凹凸棒（attapulgite）又名坡缕石（palygorskite），是指以凹凸棒石为主要组成部分的一种具有独特的层链状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物，其在尺寸、形状和结构构造上都与纳米碳管十分相似，棒晶直径仅十几至几十纳米，非常细腻，是天然纳米非金属矿物材料。该矿种呈土状、致密块状，产于沉积岩和风化壳中，颜色呈白色、灰白色、青灰色、灰绿色或弱丝绢光，土质细腻，有油脂滑感，质轻、性脆，断口呈贝壳状，吸水性强;湿时具粘性和可塑性，干燥后收缩小，水浸泡崩散，悬浮液遇电解质不絮凝沉淀。其具有纳米材料的属性，在尺寸、形状和结构构造上都与纳米碳管十分相似，是具有纳米通道结构的天然纳米结构矿物材料。由于它们具有很强的胶体性能、吸附性能、流变性能、催化性能，以及非常大的比表面积和一定的阳离子交换性能，因此广泛用作吸附剂、催化剂载体和抗菌剂载体等。另外，凹凸棒石还被广泛应用于环境保护、高科农业、生命健康保障等诸多领域。该矿种富含生命必需的碘、硒、铁、铂、硅、钙、镁、钾等多种微量元素。因此，凹凸棒石是世界上除智利碘硝石之外，另一例仅有的富含碘的固体矿物。凹凸棒石的含硅量达到40%以上，同时它具有胶体性能，流变性能、催化性能、吸附性能、阳离子交换性能、分散性能和膨胀性能，能够通过加速营养成分的渗透和扩展，使其农作物所需的营养元素吸收大大提高。
土壤中重金属污染的环境风险主要是由其赋存的化学形态决定的。重金属的迁移性、生物有效性及生物毒性均与重金属的赋存形态有关。不同形态的重金属会表现出不同的生态毒性和环境行为。凹凸棒可以利用自身的表面活性、吸附性、催化性、过滤作用、离子交换作用、络合作用和静电作用，吸附、固定和钝化土壤中的重金属，改变土壤中重金属的化学形态，阻控植物通过根际微环境系统对土壤中重金属的吸附吸收和不同部位的生物富集，减轻重金属对植物生长的影响，从而降低重金属的有效性和生态毒性，达到修复土壤重金属污染的效果。凹凸棒晶体对重金属的化学吸附机理主要表现：（1）棒晶边缘与金属阳离子配位结合的负水分子可以形成与有机养分分子结合的氢键；（2）晶体四面体层外表面上由Si-O-Si桥氧键断裂形成的Si-OH基可以与有机养分分子结合形成共价键；（3）凹凸棒晶体内部金属氧化物因非等价类质同象置换现象，造成配位水失去而产生电荷不平衡位电性吸附中心，从而形成具有极强的重金属离子选择性化学吸附能力的弱电吸附核。
综上所述，经过酸化和热改性凹凸棒基土壤重金属污染修复剂，凹凸棒石黏土经过硫酸酸化处理，具有比表面积大、孔隙率高的特点，其活性和吸附性能都得到了较大的提高，能够有效降低土壤中可溶态重金属的比例，达到钝化土壤重金属效果，修复土壤重金属污染。
具体实施方式
下面结合实施实例对本发明作进一步的描述：
1、一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于包括如下制备步骤：
A、原矿破碎
将凹凸棒矿石破碎，破碎目数30目-60目；
B、酸化处理
水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度1~3mol/L的硫酸溶液，在步骤A中破碎的凹凸棒矿石中加入硫酸溶液，酸化处理4小时制成凹凸棒粘土；
C、晾晒筛分
将酸化后的凹凸棒粘土进行晾晒，晾晒使得凹凸棒粘土含水率降至15%，然后进行粉碎，并进行筛分得到凹凸棒粉，筛网粒度为100-150目；
D、焙烤
将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在300-360℃，焙烧时间45-120分钟；
E、土壤重金属修复
测定土壤中重金属离子的摩尔浓度，将凹凸棒粉溶解于水中制得凹凸棒粉溶液，凹凸棒粉溶液的摩尔浓度为土壤中重金属离子的摩尔浓度的10~50倍，并将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度20~80℃，吸附时间20~80分钟。
优选的所述步骤B中水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度2mol/L的硫酸溶液。
优选的所述步骤C中将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在360℃，焙烧时间60分钟；
优选的所述凹凸棒粉送入造粒机进行造粒处理，粒径为2.5～3.5毫米。
优选的所述步骤E中将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度80℃，吸附时间20分钟。
优选的所述步骤E中凹凸棒粉溶液重加入脱硫剂石灰石，根据凹凸棒粉溶液体积脱硫剂石灰石添加量为2~8g/L。
本发明中有5个重要参数直接影响重金属离子吸附率，分别是步骤B中硫酸溶液a、步骤D中焙烧时间b、步骤E中脱硫剂石灰石添加量c、步骤E中溶液吸附温度d和步骤E中吸附时间e。如表1所示设定4组重要参数变化量。
如表2选用不同重要参数进行16组实施例L16测试。对相同土壤的Cd离子吸收情况进行测试，由表2可知凹凸棒基土壤重金属污染修复剂对土壤中可溶态Cd降低率的主要影响因素按照影响程度大小排列的顺序是酸含量、焙烧时间、吸附时间、脱硫剂用量和吸附温度。通过上述分析，确定最佳的工艺路线为A3B2C3D4E1，即硫酸浓度2mol/L、焙烧时间60min、脱硫剂6g/L、吸附温度80℃、吸附时间20min。
表1凹凸棒基土壤重金属污染修复剂制备试验的L16重要参数变化量表
表2土壤中重金属Cd的降低率的L16试验结果
Claims (6)
1.一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于包括如下制备步骤：
A、原矿破碎
将凹凸棒矿石破碎，破碎目数30目-60目；
B、酸化处理
水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度1~3mol/L的硫酸溶液，在步骤A中破碎的凹凸棒矿石中加入硫酸溶液，酸化处理4小时制成凹凸棒粘土；
C、晾晒筛分
将酸化后的凹凸棒粘土进行晾晒，晾晒使得凹凸棒粘土含水率降至15%，然后进行粉碎，并进行筛分得到凹凸棒粉，筛网粒度为100-150目；
D、焙烤
将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在300-360℃，焙烧时间45-120分钟；
E、土壤重金属修复
测定土壤中重金属离子的摩尔浓度，将凹凸棒粉溶解于水中制得凹凸棒粉溶液，凹凸棒粉溶液的摩尔浓度为土壤中重金属离子的摩尔浓度的10~50倍，并将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度20~80℃，吸附时间20~80分钟。
2.根据权利要求1所述的一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于所述步骤B中水中加入质量分数98%的浓硫酸配制成摩尔浓度2mol/L的硫酸溶液。
3.根据权利要求1所述的一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于所述步骤C中将筛分后的凹凸棒粉送入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度控制在360℃，焙烧时间60分钟。
4.根据权利要求1所述的一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于所述凹凸棒粉送入造粒机进行造粒处理，粒径为2.5～3.5毫米。
5.根据权利要求1所述的一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于所述步骤E中将凹凸棒粉溶液倒入土壤中吸附重金属离子，凹凸棒粉溶液温度80℃，吸附时间20分钟。
6.根据权利要求1所述的一种凹凸棒基土壤重金属修复剂，其特征在于所述步骤E中凹凸棒粉溶液重加入脱硫剂石灰石，根据凹凸棒粉溶液体积脱硫剂石灰石添加量为2~8g/L。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160203 |