CN106479511B

CN106479511B - 一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂及制备方法

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Publication number: CN106479511B
Application number: CN201610858295.5A
Authority: CN
Inventors: 王吟; 王佳员; 熊扬; 侯扶林; 杨琼; 杨一琼; 张晓东; 刘宁
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: CN106479511A

Abstract

一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂，由10~20%的预处理后的秸秆粉末、5~25%的纳米蒙脱土、15~30%的丙烯酰胺、20~50%的氮磷营养盐、2~10%的引发剂、1~5%的交联剂制备而成。还提供了上述的缓释型保水剂的制备方法，包括一个对秸秆预处理的步骤；将预处理后的秸秆粉末加入蒸馏水中，搅拌分散，再加入纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂和交联剂，水浴搅拌反应，反应结束后洗涤，烘干、粉碎，即得缓释型保水剂。本发明富含氮磷营养元素，在吸收和保持水分的同时可通过氮磷营养盐的长效缓释化技术，减少化学肥料施用的二次污染，并能充分发挥缓释磷酸盐对土壤重金属的同步钝化稳定作用。

Description

一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂及制备方法

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种保水剂，具体来是一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂及制备方法。

背景技术

干旱缺水和肥料利用率低已经成为制约当前干旱半干旱地区农林业发展的瓶颈。由于盲目过量、不合理施肥而引发的土壤硝酸盐积累，土壤重金属与有毒元素增加，进而破坏土壤结构，促进土壤酸化，降低土壤微生物活动，导致农产品品质下降，土壤农化污染日趋加剧。因此，抗旱节水、保水保肥以及土壤重金属污染修复技术的研发已成为农林业可持续发展的必然选择。

保水剂在设施基质栽培中的保水节水效果显著，已在许多国家得到广泛应用。因保水剂具有特殊的物理结构和化学特性，可迅速吸收自身质量数百倍甚至上千倍的水分，具有特殊的保水、节水和反复吸水性等特点释水肥等特性，从而降低土壤水分蒸发，改善土壤理化性质、微生物群落结构，促进作物生长发育。此外，还能吸收土壤中无机离子和养分，提高养分利用率。利用保水剂这一特点，将不同养分元素或者微量元素与其复合应用是一种有效提高土壤水肥利用效率、缓解农田环境污染的新途径。

但是由于目前的高分子保水剂主要以石油化工产品为原料合成，存在资源短缺、成本较高、难生物降解等问题，一定程度上限制了其应用推广。因此，采用天然聚合物（如纤维素、壳聚糖、淀粉、蛋白质、琼脂等）为原料制备保水剂具有吸水倍率高、结构稳定和环境友好等特点，在降低环境污染的同时也能够取得一定的经济优势，但仍需要解决耐盐碱性差、吸水后强度低以及功能单一等难题。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂及制备方法，所述的这种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂及制备方法要解决现有技术中的保水剂耐盐碱性差、吸水后强度低以及功能单一的技术问题。

本发明提供了一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂，由如下质量百分比的原料制备而成：

预处理后的秸秆粉末 10~20%；

纳米蒙脱土 5~25%；

丙烯酰胺 15~30%；

氮磷营养盐 20~50%；

引发剂 2~10%；

交联剂 1~5%；

所述的氮磷营养盐为磷酸二氢钾、磷酸钙、尿素、氨水、碳酸氢铵中的一种或两种以上的组合；所述的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾；所述的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

本发明还提供了上述的一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂，包括如下步骤：

1)包括一个对秸秆预处理的步骤，将粉碎后的秸秆粉末浸泡于蒸馏水中，于40~80℃水浴 6~12 h，过滤；然后加入水解液，所述的水解液和前述秸秆的物料比为10 ml:1~2g，在室温下搅拌3~6 h，用蒸馏水洗涤后烘干；

2)按照质量百分比称取预处理后的秸秆粉末、纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂、交联剂；

3)将预处理后的秸秆粉末加入蒸馏水中，搅拌分散，然后依次加入纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂和交联剂混合，所述的预处理后的秸秆粉末、纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂和交联剂的质量之和与蒸馏水的物料比为1 g: 5~10 ml；然后于40~70℃水浴条件下搅拌反应2~6h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在60~80℃下烘干至恒重，粉碎，即得可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂。

进一步的，所述的粉碎后的秸秆粉末的粒径为100目。

进一步的，所述的水解液由KOH、NaBH₄和H₂O组成，KOH、NaBH₄和H₂O的质量比为24：1：75。

本发明采用廉价的农作物秸秆、纳米蒙脱土和丙烯酰胺作为保水剂的主要原料，添加氮磷营养盐、引发剂和交联剂，在水浴中经过引发聚合、交联、洗涤、干燥、粉碎制成多功能缓释型保水剂。

秸秆在我国储量丰富，通过一系列预处理手段可从中提取可生物降解的纤维素和木质素。以其作为原料制备廉价的保水剂，不仅制备方法简单，而且产品具有吸水倍率高、可生物降解和环境友好等特点，十分有利于生物质资源的高效低成本应用。纳米蒙脱土是一种具有较高阳离子交换容量和大量-OH活性基团的层状硅铝酸盐黏土矿物，由于其较高的面内强度、刚度以及长径比而被广泛应用吸附剂、催化剂、涂层剂等多种领域。将纳米蒙脱土引入高分子保水剂中制备有机-无机复合保水剂可有效提高其保水性、耐盐性、吸水后强度以及热稳定性等综合性能，并可进一步降低产品成本。此外，将氮磷营养盐添加于保水剂中可充分利用其缓释功能，为作物提供生长所需的营养成分，同时其缓释的磷酸盐还能与土壤重金属离子形成较为稳定的金属磷酸盐沉淀或使土壤pH上升而使重金属离子转化为向相对活性较低形态，从而降低其生物有效性。

本发明的营养缓释型保水剂以农作物秸秆为原料，来源丰富且成本低廉。通过纳米蒙脱土的添加大大提升其机械强度以及耐盐碱性能。本发明的缓释型保水剂集植物生长营养成分供给与保水功能于一体。能够快速吸水，缓慢释放，不仅节水保肥性能好，而且具有营养盐缓释功能，可有效补充土壤中的氮磷元素，提高土壤生产力，还能充分发挥缓释磷酸盐对土壤重金属的同步钝化稳定作用，有效实现土壤污染风险阻控。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明利用农业废弃物为原料，不仅能够降低成本，实现秸秆的高附加值利用，而且所得缓释型保水剂无毒无二次污染，环境友好，可生物降解。本发明的复合保水剂富含氮磷营养元素，在吸收和保持水分的同时可通过氮磷营养盐的长效缓释化技术，减少化学肥料施用的二次污染，并能充分发挥缓释磷酸盐对土壤重金属的同步钝化稳定作用，有效实现土壤污染风险阻控。因此，本发明是一种利用农作物秸秆制备低成本、高降解性，并且集保水性、营养盐缓释、土壤重金属修复功能与一体的多功能保水剂。

附图说明

图1是本发明的一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂的制备流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于40℃水浴 12 h 后过滤；然后加入 100 mL水解液，在室温下搅拌3 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

进一步的，所述的水解液由KOH、NaBH₄和H₂O组成，KOH、NaBH₄和H₂O的质量比为24：1：75。（下述实施例也采用上述的水解液）。

将1.0 g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入2.5g纳米蒙脱土、3.0 g丙烯酰胺、1.2 g尿素、0.8 g磷酸二氢钾、1.0 g过硫酸钾和0.5 gN,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于40℃水浴条件下搅拌反应6h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在65℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

实施例2

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于60℃水浴 8 h 后过滤；然后加入 80 mL水解液，在室温下搅拌4 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

将1.2 g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入1.2g纳米蒙脱土、2.4 g丙烯酰胺、2.4 g 氨水、2.0g 磷酸二氢钾、0.6g过硫酸铵和0.2 gN,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于60℃水浴条件下搅拌反应3 h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在60℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

实施例3

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于80℃水浴 6 h 后过滤；然后加入50 mL水解液，在室温下搅拌6 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

将1.5g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入0.9g纳米蒙脱土、1.9 g丙烯酰胺、3.5 g尿素、1.5 g磷酸钙、0.3 g过硫酸铵和0.4g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于70℃水浴条件下搅拌反应2h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在70℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

实施例4

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于50℃水浴 10 h 后过滤；然后加入 100 mL水解液，在室温下搅拌3 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

将1.8 g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入2.3g纳米蒙脱土、1.5 g丙烯酰胺、1.0 g碳酸氢铵、2.4 g磷酸二氢钾、0.7 g过硫酸钾和0.3 gN,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于65℃水浴条件下搅拌反应3 h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在80℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

实施例5

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于70℃水浴 8 h 后过滤；然后加入 80 mL水解液，在室温下搅拌4 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

将2.0 g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入2.5g纳米蒙脱土、2.0 g丙烯酰胺、1.3 g磷酸钙、1.2 g氨水、0.9 g过硫酸铵和0.1 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于50℃水浴条件下搅拌反应4 h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在75℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

实施例6

将10g粉碎后的秸秆粉末（100目）浸泡于500ml蒸馏水中，于60℃水浴 10 h 后过滤；然后加入 60 mL水解液，在室温下搅拌6 h，用蒸馏水洗涤后烘干。

将1.4 g预处理后的秸秆粉末加入50mL蒸馏水中不断搅拌分散，然后依次加入0.5g纳米蒙脱土、3.0 g丙烯酰胺、3.0 g磷酸钙、1.0 碳酸氢铵、0.6 g过硫酸铵和0.5 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺混合，于45℃水浴条件下搅拌反应5 h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在70℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能缓释型保水剂。

分别测定实施例1-6制备的各种保水剂的吸水倍率、吸盐水倍率、在土壤中30天的氮磷累积释放率及土壤重金属浸出率等指标，结果见表1。

表1

由上表测试可知，该保水剂吸收蒸馏水的倍数为418~624 g/g，吸收0.9%NaCl溶液的倍数为53~82 g/g，其在土壤中30天的氮磷累积释放率为45~65 %，并且施用后土壤重金属的浸出率低于10%。

Claims

1.一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂，其特征在于由如下质量百分比的原料制备而成：

所述的氮磷营养盐为磷酸二氢钾、磷酸钙、尿素、氨水、碳酸氢铵中的一种或两种以上的组合；所述的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾；所述的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；

上述的一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂的制备方法包括如下步骤：

1)包括一个对秸秆预处理的步骤，将粉碎后的秸秆粉末浸泡于蒸馏水中，于40～80℃水浴6～12h，过滤；然后加入水解液，所述的水解液由KOH、NaBH₄和H₂O组成，KOH、NaBH₄和H₂O的质量比为24：1：75；所述的水解液和前述秸秆的物料比为10ml:1～2g，在室温下搅拌3～6h，用蒸馏水洗涤后烘干；

3)将预处理后的秸秆粉末加入蒸馏水中，搅拌分散，然后依次加入纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂和交联剂混合，所述的预处理后的秸秆粉末、纳米蒙脱土、丙烯酰胺、氮磷营养盐、引发剂和交联剂的质量之和与蒸馏水的物料比为1g:5～10ml；然后于40～70℃水浴条件下搅拌反应2～6h，反应结束后用蒸馏水洗涤，在60～80℃下烘干至恒重，粉碎，即得可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂。

2.根据权利要求1所述的一种可用于土壤重金属污染修复的缓释型保水剂，其特征在于：所述的粉碎后的秸秆粉末的粒径为100目。