CN108395317A - 一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法 - Google Patents

一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土壤改性技术领域，尤其是一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法，通过壳聚糖与羧基化石墨烯结合，形成结构稳定的混合物，在浇灌下随水迅速浸入土壤深处，在经四氯化钛反应得到的二氧化钛催化条件下，加速混合物的酰胺键水解，使得壳聚糖与羧基化石墨烯对土壤深处中的铬、汞、砷、铅、镉、铜、镍、锌、钴、钒、锑金属离子进行吸附；同时四氯化钛反应生成的盐酸以及羧基化石墨烯分离出的H+，对土壤的pH值具有调节作用。

Description

一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及土壤改性技术领域，尤其是一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法
背景技术
碱性土壤，由于pH高、土壤缓冲性能差，对作物生长有害的阴阳离子多、土壤溶液的渗透压过高，影响植物营养吸收和气孔关闭，减少植物对钾、磷、铁、锌和其他营养元素的吸收，磷、铁的转移也会受到抑制，影响了植物的营养状况，致使植物发生各种病症，是目前面临的土壤退化问题之一。
壳聚糖来源广泛，资源丰富，是仅次于纤维素的第二大高分子化合物。壳聚糖可以被微生物分解后作为养分供植物生长，而且可以改善土壤的微生物体系以及团粒结构，使土壤中放线菌数量增加，病原菌的数量减少，分解壳聚糖的细菌产生几丁质酶能抑制部分真菌的生长或杀死线虫的卵，是良好的土壤改良剂之一。在改良土壤过程中，由于壳聚糖在普通情况下不溶于水，不能很好地扩散到土壤深处。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于碱性土壤的改性剂及其制备方法。
具体是通过以下技术方案得以实现：
一种适用于碱性土壤的改性剂，改性剂的组成及其质量份为：牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母、膨润土、风化煤粉、羧基化石墨烯、壳聚糖、活化剂。
所述的改性剂按质量份计：牛粪90～100份、猪粪50～70份、鸡粪20～30份、玉米秸秆粉200～250份、酵母10～15份、膨润土50～70份、风化煤粉60～80份、羧基化石墨烯70～90份、壳聚糖20～30份、活化剂20～30份。
所述的活化剂组成及其质量份为：尿素14～22份、四氯化钛6～8份。
所述的羧基化石墨烯，其羧基化程度为60～70％。
一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，包括以下制备步骤：
(1)牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母混合，发酵12～24h，得到有机发酵肥；
(2)将尿素升温至135～140℃，在熔融状态下加入四氯化钛，搅拌均匀，造粒，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化石墨烯溶解于水中，加入壳聚糖搅拌超声30～60min，之后在70～75℃下加热，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为17％～23％，粉碎，经10～20目筛分，撒入活化剂，即得。
所述的造粒，活化剂粒径大小为8～10mm。
所述的活化剂，需在氮气保护下制备。
所述的搅拌超声，搅拌频率为30～40r/min，超声频率为300～320Hz，温度为40～50℃。
所述的加热，结束条件为混合物的质量为羧基化石墨烯和壳聚糖的总质量的1～1.1倍。
所述的脱水，脱水温度为75～85℃，风量为2.4～2.6m3/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过聚糖壳和羧基化石墨烯进行反应，形成具有酰胺键的混合物，石墨烯部分未羧基化的官能团具有良好的亲水性，可随浇灌的同时将混合物带至土壤深处。此外，在氮气保护的条件下，将四氯化钛加入熔融的尿素中，当进行浇水时，尿素溶解，四氯化钛与水反应生成二氧化钛与盐酸，微量的盐酸可作为土壤pH的调节剂，而二氧化钛可在碱性条件下作为混合物酰胺键水解的催化剂，加速混合物重新分解聚糖壳和羧基化石墨烯。而聚糖壳与羧基化石墨烯随水进入土壤深处后，分别对各种重金属离子起到吸附作用，聚糖壳对铬、汞、砷、铅、镉、铜离子具有不同程度的吸附作用，羧基化石墨烯则对铅、镉、铜、镍、锌、钴、钒、锑具有不同程度的吸附作用，且羧基化石墨烯可在水中分离中H+，可缓冲碱性土壤，达到调节土壤pH的作用。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式和试验例来对本发明的技术方案做进一步的说明，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
在某些实施例中，一种适用于碱性土壤的改性剂，改性剂的组成及其质量份为：牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母、膨润土、风化煤粉、羧基化石墨烯、壳聚糖、活化剂。
在某些实施例中，所述的改性剂按质量份计：牛粪90～100份、猪粪50～70份、鸡粪20～30份、玉米秸秆粉200～250份、酵母10～15份、膨润土50～70份、风化煤粉60～80份、羧基化石墨烯70～90份、壳聚糖20～30份、活化剂20～30份。
在某些实施例中，所述的活化剂组成及其质量份为：尿素14～22份、四氯化钛6～8份。
在某些实施例中，所述的羧基化石墨烯，其羧基化程度为60～70％。
在某些实施例中，一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，包括以下制备步骤：
(1)牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母混合，发酵12～24h，得到有机发酵肥；
(2)将尿素升温至135～140℃，在熔融状态下加入四氯化钛，搅拌均匀，造粒，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化石墨烯溶解于水中，加入壳聚糖，搅拌超声30～60min，之后在70～75℃下加热，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为17％～23％，粉碎，经10～20目筛分，撒入活化剂，即得。
在某些实施例中，所述的造粒，活化剂粒径大小为8～10mm。
在某些实施例中，所述的活化剂，需在氮气保护下制备。
在某些实施例中，所述的搅拌超声，搅拌频率为30～40r/min，超声频率为300～320Hz，温度为40～50℃。
在某些实施例中，所述的加热，结束条件为混合物的质量为羧基化石墨烯和壳聚糖的总质量的1～1.1倍。
在某些实施例中，所述的脱水，脱水温度为75～85℃，风量为2.4～2.6m3/min。
实施例1
一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，包括以下制备步骤：
(1)90g牛粪、50g猪粪、20g鸡粪、200g玉米秸秆粉、10g酵母、混合，发酵12h，得到有机发酵肥；
(2)在氮气保护下，将14g尿素升温至135℃，在熔融状态下加入6g四氯化钛，搅拌均匀，造粒，粒径大小为8mm，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化程度为60％的70g羧基化石墨烯溶解于水中，加入20g壳聚糖，搅拌超声30min，频率为30r/min，超声频率为300Hz，温度为40℃；之后在70℃下加热，直至所剩物质为90g，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为17％％，脱水温度为75℃，风量为2.4m3/min，粉碎，经10目筛分，撒入活化剂，即得。
实施例2
一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，包括以下制备步骤：
(1)95牛粪、60g猪粪、25g鸡粪、225g玉米秸秆粉、13g酵母、混合，发酵18h，得到有机发酵肥；
(2)在氮气保护下，将18g尿素升温至137℃，在熔融状态下加入7g四氯化钛，搅拌均匀，造粒，粒径大小为9mm，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化程度为65％的80g羧基化石墨烯溶解于水中，加入25g壳聚糖，搅拌超声45min，频率为35r/min，超声频率为310Hz，温度为45℃；之后在72℃下加热，直至所剩物质为110g，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为20％，脱水温度为80℃，风量为2.5m3/min，粉碎，经15目筛分，撒入活化剂，即得。
实施例3
一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，包括以下制备步骤：
(1)100g牛粪、70g猪粪、30g鸡粪、250g玉米秸秆粉、15g酵母、混合，发酵24h，得到有机发酵肥；
(2)在氮气保护下，将22g尿素升温至140℃，在熔融状态下加入8g四氯化钛，搅拌均匀，造粒，粒径大小为10mm，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化程度为70％的90g羧基化石墨烯溶解于水中，加入30g壳聚糖，搅拌超声60min，频率为40r/min，超声频率为320Hz，温度为50℃；之后在75℃下加热，直至所剩物质为132g，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为23％，脱水温度为85℃，风量为2.6m3/min，粉碎，经20目筛分，撒入活化剂，即得。
实施例4
实施例4未加入四氯化钛，其它与实施例1相同。
实施例5
实施例5以甲壳素代替壳聚糖，其它与实施例2相同。
实施例6
实施例6以乙酸代替羧基化石墨烯，其它与实施例3相同。
试验例
挖取难以让植物生长的碱性土壤，均匀混合后，以每份500g碱性土壤分别装进30个花盆中，以5个花盆为一组，分为试验组1～6，随机抽取每组中的一份土壤进行检测，记录第1天的测试数据，然后将实施例1～6制备的改性剂分别对试验组1～6的土壤进行试验，每盆土壤的改性剂施用量为5g，浇水50ml。每隔5天，从每个试验组中抽取一盆土壤，混合均匀后进行检测，记录每组土壤的测试数据，然后对剩余的试验组土壤浇水50ml，间隔5天后重复上述步骤进行测试，总共测试次数为6次。测试内容包括pH值以及重金属铬、汞、砷、铅、镉、铜、镍、锌、钴、钒、锑含量，测试结果如表1～表6所示：
表1
表2
表3
第1天 第5天 第10天 第15天 第20天 第25天
pH 10.5 7.8 7.5 7.4 7.2 7.3
Cr(mg/kg) 1.4 0.6 0.3 0.3 0.3 0.3
Hg(mg/kg) 1.1 0.6 0.4 0.4 0.4 0.4
As(mg/kg) 18 14 10 9 9 9
Pb(mg/kg) 75 26 25 24 23 21
Cd(mg/kg) 237 127 126 126 125 125
Cu(mg/kg) 241 127 117 114 114 113
Ni(mg/kg) 76 63 60 59 59 58
Zn(mg/kg) 321 136 124 123 121 121
Co(mg/kg) 65 23 20 19 18 19
V(mg/kg) 130 98 95 94 93 93
Sb(mg/kg) 20 9 5 5 5 5
表4
第1天 第5天 第10天 第15天 第20天 第25天
pH 10.2 9.4 9.0 8.7 8.4 8.2
Cr(mg/kg) 1.4 1.2 1.1 0.9 0.7 0.6
Hg(mg/kg) 1.0 0.9 0.7 0.6 0.5 0.4
As(mg/kg) 16 13 12 11 10 9
Pb(mg/kg) 71 62 56 52 50 49
Cd(mg/kg) 243 189 164 155 150 143
Cu(mg/kg) 237 180 134 120 116 112
Ni(mg/kg) 81 73 70 68 67 65
Zn(mg/kg) 324 268 231 210 198 189
Co(mg/kg) 70 54 37 29 27 25
V(mg/kg) 130 103 94 87 86 86
Sb(mg/kg) 17 16 15 13 12 11
表5
第1天 第5天 第10天 第15天 第20天 第25天
pH 10.6 7.3 7.2 7.2 7.2 7.1
Cr(mg/kg) 1.5 1.3 1.2 1.2 1.2 1.2
Hg(mg/kg) 0.8 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
As(mg/kg) 17 15 13 12 11 11
Pb(mg/kg) 70 53 47 43 40 38
Cd(mg/kg) 252 193 164 150 152 148
Cu(mg/kg) 245 132 134 130 127 127
Ni(mg/kg) 82 80 80 80 80 80
Zn(mg/kg) 311 127 125 125 123 122
Co(mg/kg) 83 24 25 23 22 22
V(mg/kg) 127 98 96 95 94 94
Sb(mg/kg) 20 8 7 6 5 5
表6
第1天 第5天 第10天 第15天 第20天 第25天
pH 10.3 7.4 7.3 7.2 7.2 7.2
Cr(mg/kg) 1.5 0.6 0.4 0.4 0.4 0.4
Hg(mg/kg) 1.2 0.6 0.4 0.4 0.3 0.3
As(mg/kg) 20 16 15 15 15 14
Pb(mg/kg) 82 56 53 51 50 50
Cd(mg/kg) 244 185 164 163 163 162
Cu(mg/kg) 238 187 186 184 184 183
Ni(mg/kg) 74 69 68 68 67 68
Zn(mg/kg) 329 314 312 312 311 310
Co(mg/kg) 75 73 72 72 71 71
V(mg/kg) 126 124 122 122 121 121
Sb(mg/kg) 15 14 14 13 13 13
上表1～6分别对应实施例1～6的实验结果。从表1～表6，我们可以观察得出，实施例1～3的pH值及各重金属离子的含量，大部分在第5天和第10天降至含量不变；实施例4的pH值及各重金属离子的含量，下降速度缓慢，甚至个别出现停滞状态；实施例5的pH值在短时间内能较快恢复，个别重金属含量几乎未有下降现象，如铬、汞、镍，部分重金属出现整体下降值减少的情况，如砷、铅、镉、铜，而部分重金属含量下降速率不受影响，如锌、钴、钒、锑；实施例6的pH值在短时间内也恢复较快，但锌、钴、钒、锑这四中重金属含量并未出现下降趋势，而砷、铅、镉、铜、镍也出现下降值减少，且下降速率变缓的情况，铬、汞重金属含量下降速率及下降总量与实施例1～3没有太大变化。

Claims (10)

1.一种适用于碱性土壤的改性剂，其特征在于，改性剂的组成及其质量份为：牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母、膨润土、风化煤粉、羧基化石墨烯、壳聚糖、活化剂。
2.如权利要求1所述的适用于碱性土壤的改性剂，其特征在于，所述的改性剂按质量份计：牛粪90～100份、猪粪50～70份、鸡粪20～30份、玉米秸秆粉200～250份、酵母10～15份、膨润土50～70份、风化煤粉60～80份、羧基化石墨烯70～90份、壳聚糖20～30份、活化剂20～30份。
3.如权利要求1所述的适用于碱性土壤的改性剂，其特征在于，所述的活化剂组成及其质量份为：尿素14～22份、四氯化钛6～8份。
4.如权利要求1所述的适用于碱性土壤的改性剂，其特征在于，所述的羧基化石墨烯，其羧基化程度为60～70％。
5.一种适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
(1)牛粪、猪粪、鸡粪、玉米秸秆粉、酵母混合，发酵12～24h，得到有机发酵肥；
(2)将尿素升温至135～140℃，在熔融状态下加入四氯化钛，搅拌均匀，造粒，降至室温，得到活化剂；
(3)将羧基化石墨烯溶解于水中，加入壳聚糖，搅拌超声30～60min，之后在70～75℃下加热，得到混合物；
(4)将有机发酵肥、膨润土、风化煤粉、混合物搅拌均匀，脱水至含水量为17％～23％，粉碎，经10～20目筛分，撒入活化剂，即得。
6.如权利要求5所述的适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，所述的造粒，活化剂粒径大小为8～10mm。
7.如权利要求5所述的适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，所述的活化剂，需在氮气保护下制备。
8.如权利要求5所述的适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，所述的搅拌超声，搅拌频率为30～40r/min，超声频率为300～320Hz，温度为40～50℃。
9.如权利要求5所述的适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，所述的加热，结束条件为混合物的质量为羧基化石墨烯和壳聚糖的总质量的1～1.1倍。
10.如权利要求5所述的适用于碱性土壤的改性剂制备方法，其特征在于，所述的脱水，脱水温度为75～85℃，风量为2.4～2.6m3/min。
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