CN107052034A - 一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，包括中空无盖桶体，所述桶体内设置有土壤，土壤内插设有若干根PAL材料插棒体，PAL材料插棒体包括布袋，布袋的底部为圆锥形，布袋内装有PAL材料。本发明还公开了一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，本发明利用PAL材料对主要土壤重金属吸附的自然特性，结合插棒技术，模拟植物对重金属的吸收、固定与转移功能，在不影响水稻植株正常生长的情况下，以插入PAL棒体形式萃取与移出土壤中重金属，本发明消除了重金属干扰水稻研究结果的技术难题，本发明适合水稻盆栽中土壤重金属的移除，也适合于一般污染土壤的重金属的移除。
Description
技术领域
本发明属于重金属污染治理技术领域，具体地说，涉及一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置及应用。
背景技术
目前，我国大量土壤处于重金属污染的集中高发期。“镉大米”的频现表明我国重金属土壤污染严重威胁环境安全，已直接危及到广大群众的“米袋子”。
重金属对土壤的污染已是全国性问题，全国1/5耕地受重金属污染，其中，镉污染耕地涉及11省25个地区。只不过呈现地域差异，东部比西部严重，南部比北部严重，珠三角地区尤为显著。有色金属大省湖南、江西等是重金属污染的重点地区，湘江是中国重金属污染最严重的河流。重金属无论对水体污染，还是对大气污染，最终都将叶落归根于土壤。镉、铅、汞等重金属一旦进入土壤，排除困难，残存量大，所产生的危害将是长期的。通过食物链进入人和动物体内，“致疾、致癌、致突变”，成为造成许多现代病的主要因素。
不仅是消除“镉大米”背后的土壤污染，实质上，我国还面临着土壤和水重金属污染显著增大，重金属元素在土壤表层明显富集，并与人口密集区、工矿区存在密切相关性的现实。与地质部门1994-1995年采样相比，土壤重金属污染分布面积显著扩大，并向人口密集区扩散；土壤危险元素在增多，我国出现越来越多本来没有或微不足道的危险元素，经长期积累沉淀，使大量国土土壤被严重污染的现状，以上这种状况若通过自净能力完全复原周期长达上千年。
因此，重金属污染土地的治理修复，不仅仅是国家粮食安全和生态环境安全的重大需求，而且关系到民族素质和国家的兴旺发达。
当人们越来越深刻认识到重金属污染的严重后果后，正积极采取一些治理的技术措施。目前，这些技术措施主要为以下三类：工程措施(主要为换土和深耕翻土等)、物理/化学方法(采用物理/化学方法对重金属钝化，也称稳定/固定方法)、生物修复技术(生物修复技术又分为微生物修复技术和植物修复技术)。以上三种措施从单方面看，都有一定的效果，但都存在着严重的欠缺和不可行性。工程措施表现出效果相对彻底、稳定特点，但其工程量大，投资高，易引起土壤肥力和初级生产力下降，而且转换出土壤的妥善处理和可能引起二次污染是难以克服的技术欠缺，一般只能适用于小面积治理修复。采用物理/化学钝化方法，主要基于重金属土壤化学行为的改良措施，降低土壤重金属的水溶性、扩散性和生物有效性，从而降低重金属进入食物链的能力，减轻对生态系统的危害。该方法尽管将重金属钝化在土壤中，却产生了一个最大的弊端，即重金属仍存留在土壤中，一旦环境条件变化，重金属被“活化”，不仅造成二次污染，还会产生污染的复合效应。生物技术中的微生物技术和植物治理修复技术是当今环境治理修复技术领域的热点，也是最具挑战的研究方向，但存在不少技术性障碍。
因此，迄今为止，国内重金属污染土地的治理修复领域，还没有一个令人满意的成功案例。在至为推崇的生物(微生物、植物)治理修复领域，也尚无可以推广应用的治理修复经验。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置及应用，本发明利用PAL材料对主要土壤重金属吸附的自然特性，结合插棒技术，模拟植物对重金属的吸收、固定与转移功能，在不影响水稻植株正常生长的情况下，以插入PAL棒体形式萃取与移出土壤中重金属，本发明是一种专门用于移除盆栽水稻土壤中主要重金属的装置，消除了重金属干扰水稻研究结果的技术难题，本发明适合水稻盆栽中土壤重金属的移除，也适合于一般污染土壤的重金属的移除。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，包括中空无盖桶体，所述桶体内设置有土壤，所述土壤内插设有若干根PAL材料插棒体，所述PAL材料插棒体包括布袋，所述布袋的底部为圆锥形，所述布袋内装有PAL材料。
进一步地，桶体的顶部设置有把手。
进一步地，布袋的材质采用20-30目的无纺布。
进一步地，布袋的直径为6-8厘米，长度为30-50厘米；所述桶体的直径和高度均为30厘米。
进一步地，PAL材料的目数小于等于10目。
本发明还公开了一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，包括以下步骤：
1)插棒体的制作：以20-30目的无纺布做成底部为圆锥体形的布袋，布袋的直径为6-8厘米，长度为30-50厘米，布袋的圆锥体端为封闭端，另一端则保持开口状态；
2)PAL材料的灌装：选择细度在10目或以下的PAL材料，灌入步骤1)制备得到的布袋，灌填时用光滑木棒伸入布袋捣压PAL材料，确保布袋内材料的均匀与紧实，以保证灌填好的PAL棒体具有较强的机械强度，用细绳扎紧布袋上端，制备得到PAL材料插棒体；
3)PAL材料插棒体的种植：准备一个中空无盖的桶体，桶体的直径和高度均为30厘米；桶体内装置有土壤，即先把土壤挖开，把灌填完成的PAL材料插棒体垂直插入土壤中进行吸附处理；PAL材料插棒体植入数量为3-5个，将PAL材料插棒体从土壤中拔出；视土壤重金属污染浓度，确定换棒次数，直至达标。
进一步地，桶体的顶部设置有把手。
进一步地，吸附处理的周期为3-5天。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明利用PAL材料层状、纳米级孔穴通道的微观构造和次生孔隙，仿生植物管状结构；
2)本发明利用PAL材料对重金属选择性吸附的独特性和对重金属毒性的绝对忍耐，仿生超累积重金属植物忍耐、吸收、转移重金属，积累、钝化、代谢和固定重金属的功能；
3)本发明利用插棒技术，仿生植物携带重金属污染物脱离土壤，以达治理修复目的。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的结构示意图；
图2是本发明PAL材料插棒体的结构示意图。
图中，1.桶体，2.土壤，3.PAL材料插棒体，4.布袋，5.PAL材料，6.把手，7.秧苗。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明提供一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，如图1所示，包括中空无盖桶体1，桶体1内设置有土壤2，土壤2内插设有若干根PAL材料插棒体3，如图2所示，PAL材料插棒体3包括布袋4，布袋4的底部为圆锥形，布袋4装有PAL材料5。
桶体1的顶部设置有把手6。布袋4的材质采用20-30目的无纺布。布袋4的直径为6-8厘米，长度为30-50厘米。PAL材料5的目数小于等于10目。
本发明还提供一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，包括以下步骤：
1)插棒体的制作：以20-30目的无纺布做成底部为圆锥体形的布袋4，也可以根据实践需要将布袋做成其他形状，按需要设计布袋的容量(直径与长度)；优选的，布袋4的直径6-8厘米，长度为30-50厘米(或与盆栽桶齐高)，封闭布袋4的底端(圆锥体端)，另一端则保持开口状态便于下一步的PAL材料的灌装(图2)。
2)PAL材料的灌装：选择细度在10目或以下的PAL材料(市售产品)，灌入上述封闭布袋4，灌填时用光滑木棒伸入布袋捣压PAL材料，确保布袋内材料的均匀与紧实，以保证灌填好的PAL棒体具有较强的机械强度，用细绳扎紧布袋上端，制备得到PAL材料插棒体3。其中，PAL(Palygorskite)材料的原料为坡缕石(又称凹凸棒石，含水镁质硅酸盐)，是经提纯、超微化、活化、改性等生物工程技术和生态农业加工工艺，制造的天然无机非金属生态材料。
3)PAL材料插棒体3的种植：PAL材料插棒体3作为PAL材料的机械载体，插棒的“种植”可模拟植物的种植(图1)；准备一个中空无盖的桶体1，桶体1内装置有土壤2，即先把土壤挖开，把PAL材料插棒体3垂直插入挖开的土壤2中，再把土回填到插棒周围。桶体1的直径和高度均为30厘米时，PAL材料插棒体3植入数量为3-5个，待PAL材料插棒体3饱和吸收重金属后(水稻土一般需要3-5天)将插棒从土壤中拔出。吸附周期一般为3-5天，视土壤重金属污染浓度，确定换棒次数，直至达标，即有害重金属浓度低于表1中的一级标准浓度。与此同时，将脱离土壤的重金属污染棒，施以无害化稳定技术处置。
表1土壤环境质量标准值mg/kg
*中华人民共和国国家标准—土壤环境质量标准(GB 15618－1995)中重金属离子浓度。
本发明模拟植物体形态特征设计插棒形状，插棒(PAL材料插棒体3)作为PAL材料的机械载体，相当植物植种于土壤，发挥类似植物吸附固定功能，待饱和吸收重金属后将棒从土壤中拔出，若不达标，再更换新棒。与此同时，将脱离土壤的重金属污染棒，施以无害化稳定技术处置。一般吸附周期为3-5天，视污染浓度，确定换棒次数，直至达标；插棒作业不影响土地肥力，不影响作物生长；可以小面积实施，也可工程化操作，规模化实施。
下面结合具体的实验数据来说明本发明的技术效果：
一、配置一定浓度的重金属溶液，将PAL材料插棒体3浸入，间隔一定时间测定几种重金属的去除效果。实验结果如下表1：
表1Pb2+、Cu2+、Cd2+的去除率
由表1可知，Pb2+、Cu2+、Cd2+12h的去除率分别为81％、71％、61％，24h时去除率分别为92.6％、80％、69％，48h时去除率分别为98.6％、91％、85％。
二、稻田土壤自然风干后用粉碎机粉碎，按照每公斤干土含10毫克镉的剂量掺入无水CdCl2，用搅拌机充分混匀后堆放一年，第二年晒干粉碎后再次用搅拌机充分混匀后备用，经检测，土壤镉含量为10.0±0.2mg/kg。将上述干土装入30厘米*30厘米(直径/高度)的水桶中，加注自来水直至土表覆盖1cm左右水层。如图1所示，将插棒“种植”于水桶中，植入数量在5个，待PAL插棒饱和吸收重金属后(3天后)将插棒从土壤中拔出；重复上述“种植”(即换棒处理)2次，同时取土样测定Cd2+的含量。
PAL材料插棒体3插入3天后，盆栽土壤中重金属镉含量为4.02mg/kg，换棒1次(即6天后)盆栽土壤中重金属镉含量为1.82mg/kg，换棒2次(即9天后)盆栽土壤中重金属镉含量为0.32mg/kg。即盆栽土壤中96.8％的Cd2+被PAL插棒吸附并移出。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，其特征在于，包括中空无盖桶体(1)，所述桶体(1)内设置有土壤(2)，所述土壤(2)内插设有若干根PAL材料插棒体(3)，所述PAL材料插棒体(3)包括布袋(4)，所述布袋(4)的底部为圆锥形，所述布袋(4)内装有PAL材料(5)。
2.根据权利要求1所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，其特征在于，桶体(1)的顶部设置有把手(6)。
3.根据权利要求1所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，其特征在于，布袋(4)的材质采用20-30目的无纺布。
4.根据权利要求1所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，其特征在于，布袋(4)的直径为6-8厘米，长度为30-50厘米；所述桶体(1)的直径和高度均为30厘米。
5.根据权利要求1所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置，其特征在于，PAL材料(5)的目数小于等于10目。
6.一种适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1)插棒体的制作：以20-30目的无纺布做成底部为圆锥体形的布袋(4)，布袋(4)的直径为6-8厘米，长度为30-50厘米，布袋(4)的圆锥体端为封闭端，另一端则保持开口状态；
2)PAL材料的灌装：选择细度在10目或以下的PAL材料，灌入步骤1)制备得到的布袋(4)，灌填时用光滑木棒伸入布袋捣压PAL材料，确保布袋内材料的均匀与紧实，以保证灌填好的PAL棒体具有较强的机械强度，用细绳扎紧布袋上端，制备得到PAL材料插棒体(3)；
3)PAL材料插棒体(3)的种植：准备一个中空无盖的桶体(1)，桶体(1)的直径和高度均为30厘米；桶体(1)内装置有土壤(2)，即先把土壤挖开，把灌填完成的PAL材料插棒体(3)垂直插入土壤(2)中进行吸附处理；PAL材料插棒体(3)植入数量为3-5个，将PAL材料插棒体(3)从土壤中拔出；视土壤重金属污染浓度，确定换棒次数，直至达标。
7.根据权利要求6所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，其特征在于，所述桶体(1)的顶部设置有把手(6)。
8.根据权利要求6所述的适合盆栽水稻的插棒式土壤重金属移除装置的应用，其特征在于，所述吸附处理的周期为3-5天。
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