CN110122261B

CN110122261B - 一种纳米土壤的制作方法

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Publication number: CN110122261B
Application number: CN201910441580.0A
Authority: CN
Inventors: 张千; 张川; 张建平
Original assignee: HEBEI MILSON TITANIUM DIOXIDE CO Ltd
Current assignee: HEBEI MILSON TITANIUM DIOXIDE CO Ltd
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: CN110122261A

Abstract

一种纳米土壤的制作方法，属于纳米制备技术领域，其具体的制备工艺为：将二氧化钛和土壤以质量比为1：(800～1000)，溶于水中，制得浓度为700‑800g/L的土壤悬浮液，然后边搅拌，边加入氨水，调节溶液的pH为7～7.5，再加入分散剂和EDTA二钠，以同样转速，继续搅拌10～20min，再加入无机复合肥，继续搅拌10～20min后，进行循环反复湿法砂磨，直至溶液中悬浮物的粒径小于0.1μm，然后再进行喷雾干燥和气流粉碎，再物理混合生物有机肥，即制得本发明的纳米土壤。本发明所制备的纳米土壤，透气性好和不易板结，可促进农作物的光合作用和抗病虫害，加速农作物对各种肥料以及其它微量营养元素等的吸收，有效提高了农作物的产量和改善了品质。

Description

一种纳米土壤的制作方法

技术领域

本发明属于纳米制备技术领域，具体涉及一种纳米土壤的制作方法，可很大程度上改善土壤的性能，更加有利于农作物的生长和提高农产品的品质。

背景技术

纳米科技是前沿和交叉性科学，目前，它的迅猛发展已经成为世界科学技术发展的主流。高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越高，而纳米新材料的制备技术为发展高性能新材料和对现有材料性能改善提供了一个新的途径。

土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，随着土壤的耕种频繁，各种污染物通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤的自修复能力，导致土壤的组成、结构和功能等发生变化，从而使土壤的生态平衡受到破坏，尤其是土壤板结严重、营养成分不易吸收，导致土壤环境质量下降，影响农作物的正常生长发育，最终将危及人体健康以及人类生存和发展。

纳米土壤是指其结构单元的尺寸介于纳米范围之间。由于土壤中的各物质尺寸已经接近电子的相干长度，土壤的性质因为强相干所带来的各成分之间的组合、协同功能性，使得土壤性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大比表面效应，可以充分利用太阳光的能量，分解有机物，使土壤物质各组分充分发挥其功能性，使农作物达到前所未有的生长性能和提高果实的质量。

发明内容

本发明针对土壤易板结、不透气、农作物对各种肥料以及其它微量元素等吸收较慢的情况，提供了一种纳米土壤的制作方法，该纳米土壤可显著提高土壤耕种的性能。

本发明为实现其目的采用的技术方案是：

一种纳米土壤的制作方法，包括以下步骤：

A、将二氧化钛和土壤以质量比为1：(800～1000)，溶于水中，制得浓度为700～800g/L的土壤悬浮液，然后以300～500rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7～7.5，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.1～0.3％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.01～0.05％，然后再以同样转速，继续搅拌10～20min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.1～0.3％，然后继续以300～500rpm的转速，搅拌10～20min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

C、将步骤B制备的土壤悬浮液，利用卧式砂磨机，进行循环反复湿法砂磨，直至溶液中悬浮物的平均粒径小于0.1μm，制得纳米土壤浆液；

D、将步骤C制备的纳米土壤浆液，进行喷雾干燥和气流粉碎，制得纳米土壤；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为(400～500):1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

所述的二氧化钛为锐钛型二氧化钛，平均粒径≤3μm，Fe的质量含量为0.05～0.08％，TiO₂质量含量≥98％，锐钛型TiO₂质量含量≥99％，重金属质量含量≤5ppm。

所述的土壤为河北平原深度0～20cm的耕层潮褐色的壤土，通过使其在通风、避光的条件下自然风干，当达半干状态时对土块进行碾压破碎处理，剔除石块、枯枝落叶等杂物，铺平后待其进一步慢慢风干，当土壤样品完全风干后，过10目筛。

所述的无机复合肥的组成和质量比例为硝酸铵:磷酸二氢钾:硝酸镁:硼酸锌:过磷酸钙:硝酸铜＝1:1:0.2:0.1:0.1:0.05。

所述的生物有机肥是指以动植物残体、畜禽粪便和农作物秸秆为来源，并经无害化处理和腐熟的一类兼具微生物和有机肥效应的肥料。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对土壤湿法砂磨、喷雾干燥和气流粉碎，制得纳米土壤，由于纳米土壤具有较大的比表面积和量子化效应，从而有效地改善了原有土壤易板结、透气性差的缺陷，从而加速了农作物对土壤中各种营养成分的吸收，另外本纳米土壤还具有抗菌杀菌的性能，能有效降低病虫害对农作物的影响，可显著提高土壤的性能，因此，可有效提高农作物产品的产量和质量。

(2)本发明通过在土壤中添加含有一定量铁的锐钛型二氧化钛，经过研磨、喷雾干燥和气流粉碎，制得纳米锐钛型二氧化钛，可吸收太阳光中波长低于387nm的紫外光的辐射能量，价带上的电子受到激发跃迁至导带，在导带上形成高活性电子，同时在价带上生成带正电的空穴，电子-空穴可以与吸附在纳米二氧化钛表面的溶解氧、水分子发生一系列的化学反应最终生成羟基自由基和超氧离子，以此氧化分解有机肥料，加速对农作物的吸收。纳米二氧化钛还能够对土壤中含有的重金属离子进行还原，进而使作物中的重金属含量降低。锐钛型纳米二氧化钛的化学稳定性较好，对人体无毒，对土壤环境无污染，可以重复利用其光催化性能。另外，纳米二氧化钛还具有促进农作物的光合作用以及抗菌杀菌功能，可有效降低农作物的病虫害。本发明中所用的纳米二氧化钛还有一定量的铁，可有效防止农作物叶子的黄化发生。农作物在合成叶绿素时，需要有Fe作为酶的活化剂，如果缺乏，叶子会出现黄化现象，从而减弱其光合作用的进行；Fe还参与植物的呼吸作用，缺乏时，呼吸作用受阻，从而影响了植物对营养成分的主动运输。

(3)本发明通过在纳米土壤中辅助加入EDTA二钠，使土壤中的金属离子和所加入无机肥中的金属离子(例如Ca²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺等植物生长必须的金属离子)和EDTA结合形成络合物，有效减少了这些金属离子在土壤中的流失，确保了农作物的营养需求；另外EDTA还能和土壤中有害的重金属离子和其它金属离子(例如Pb²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Cr⁶⁺等)，形成络合沉淀物，减少了农作物对其吸收。

(4)本发明通过在纳米土壤中添加无机复合肥和生物有机肥料，可有效地满足了农作物生长必须的元素和营养成分需求，确保了农作物产品的产量和质量。

(5)本发明制备方法简单使用，可以推广应用于我国各种土壤进行制备成纳米土壤，尤其是污染以及连耕障碍的土壤，为彻底改善我国土壤的品质提供了有效的方法。

具体实施方式

本发明提供一种纳米土壤的制作方法，打破传统的土壤修复技术，与土壤修复技术有着无法比拟的优越性能，而且将纳米技术引入到土壤材料中，可以赋予传统土壤修复技术所不具有的功能性。就像纳米药物非常有利于人体吸收一样，纳米土壤的各营养成分，非常有利于农作物的吸收。因此，本发明技术有着广阔的应用前景。下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

一、具体实施例

本实施例1～6和比较例1～2中：

所用的二氧化钛为河北麦森钛白粉有限公司生产的锐钛型二氧化钛，平均粒径≤3μm，Fe的质量含量为0.05～0.08％，TiO₂质量含量≥98％，锐钛型TiO₂质量含量≥99％，重金属质量含量≤5ppm。

所用的土壤为河北平原深度0～20cm的耕层潮褐色的壤土，通过使其在通风、避光的条件下自然风干，当达半干状态时对土块进行碾压破碎处理，剔除石块、枯枝落叶等杂物，铺平后待其进一步慢慢风干，当土壤样品完全风干后，过10目筛。

所用的无机复合肥的组成和质量比例为硝酸铵:磷酸二氢钾:硝酸镁:硼酸锌:过磷酸钙:硝酸铜＝1:1:0.2:0.1:0.1:0.05。

所用的生物有机肥是指以动植物残体、畜禽粪便和农作物秸秆为来源，并经无害化处理和腐熟的一类兼具微生物和有机肥效应的肥料。

所用的水以及水溶液用水均为自来水。

所用的主要仪器设备有：

台称：规格为TGT-1000，厂家为江西永信机电有限公司。

电子天平：规格为FA2004B，厂家为上海精密仪器仪表有限公司。

电子天平：规格为YP-6002，厂家为上海精密仪器仪表有限公司。

搅拌釜：规格为1000L，厂家为威海汇鑫化工机械有限公司。

卧式砂磨机：规格为LME1000K，厂家为耐驰(上海)机械仪器有限公司。

激光粒度分析仪：规格为LS-909，厂家为珠海欧美克仪器有限公司。

喷雾干燥机：规格为QPG-300，厂家为江苏宇通干燥工程有限公司。

气流粉碎机：规格为QLM20，厂家为山东经欣粉体设备科技有限公司。

高速混合机：规格为GHJ-500，厂家为常州市企星干燥科技有限公司。

实施例1

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：800，溶于700L水中，制得浓度为714.3g/L的土壤悬浮液，然后以300rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.0，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.1％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.01％，然后再以同样转速，继续搅拌10min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.1％，然后继续以300rpm的转速，搅拌10min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

C、将步骤B制备的土壤悬浮液，利用卧式砂磨机，进行循环反复湿法砂磨，直至溶液中悬浮物的粒径小于0.1μm，制得纳米土壤浆液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为400:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

实施例2

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：850，溶于650L水中，制得浓度为769.2g/L的土壤悬浮液，然后以400rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.2，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.1％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.02％，然后再以同样转速，继续搅拌15min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.2％，然后继续以400rpm的转速，搅拌15min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为430:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

实施例3

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：900，溶于670L水中，制得浓度为746.3g/L的土壤悬浮液，然后以450rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.3，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.25％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.03％，然后再以同样转速，继续搅拌20min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.25％，然后继续以450rpm的转速，搅拌20min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为470:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

实施例4

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：950，溶于625L水中，制得浓度为800g/L的土壤悬浮液，然后以500rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.4，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.3％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.04％，然后再以同样转速，继续搅拌12min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.3％，然后继续以500rpm的转速，搅拌12min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为480:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

实施例5

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：1000，溶于680L水中，制得浓度为735.3g/L的土壤悬浮液，然后以350rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.5，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.15％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.05％，然后再以同样转速，继续搅拌18min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.15％，然后继续以350rpm的转速，搅拌18min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为500:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

实施例6

A、将500kg的二氧化钛和土壤以质量比为1：830，溶于710L水中，制得浓度为704.2g/L的土壤悬浮液，然后以480rpm的转速，边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7.1，再加入分散剂六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.12％和加入EDTA二钠，加入量为土壤质量的0.02％，然后再以同样转速，继续搅拌17min；

B、向步骤A制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，添加量为土壤质量的0.22％，然后继续以480rpm的转速，搅拌17min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为450:1，进行物理混合均匀，即制得本发明的纳米土壤。

比较例1

本发明所用的土壤。

比较例2

采用由本发明“二氧化钛、六偏磷酸钠、EDTA二钠、无机复合肥、生物有机肥”组成的土壤修复肥料，加入量以及各组分的配比和实施例1相同，加入本发明所用的土壤中，和土壤混合均匀，对土壤进行修复。

二、效果试验

1、纳米土壤的性能测试

土壤的取样要求参照标准NY/T 2271-2016进行，所测试的性能指标均为平均值，测定方法参考相关的国家标准。表1为本发明的实施例1～6所制备的纳米土壤和比较例1的土壤以及比较例2所修复的土壤性能指标。

表1土壤的性能指标

由表1可知，按照本发明纳米土壤的制作方法，进行的实施例1～6所制备的纳米土壤，平均粒径最大为90nm，最小为85nm，而比较例的土壤平均粒径为1.8mm；本发明实施例的土壤容重与比较例相比相对较小，而土壤的总孔隙度明显要比比较例大的多，可见本发明所制备的纳米土壤具有蓬松和透气性；由于比较例2也加入了本发明的无机复合肥和生物有机肥，土壤的有机质和速效氮磷钾的含量与实施例1也是基本相同，在土壤的肥力上具有一致性。另外，由于比较例2所用的土壤修复肥中的EDTA二钠只是简单的和土壤物理混合，导致土壤中也存在水溶性重金属离子，而本发明的纳米土壤却未检测出。

另外，本发明实施例1～6所制备的纳米土壤和比较例1的土壤以及比较例2所修复的土壤，分别经过5次浇水灌溉之后，实施例1～6所制备的纳米土壤经过紧实度测试，仍然均为松，而比较例1～2的土壤明显为紧实，可见本发明所制备的纳米土壤具有不易板结的优良性能。

2、纳米土壤的实际应用试验

利用本发明实施例1～6所制备的纳米土壤和比较例1的土壤以及比较例2所修复的土壤，分别进行春季大棚黄瓜的种植试验，参考相关的国家标准，对其主要的品质指标进行测试，测试结果见表2所示。

表2春季大棚黄瓜种植试验的测试结果

由表2结果可知，通过本发明实施例1～6所制备的纳米土壤栽培的大棚黄瓜，长势效果较好，由于含有纳米二氧化钛，促进了黄瓜的光合作用，叶片颜色的绿色占比较高，明显高于比较例的土壤栽培的黄瓜，并且农作物没有出现病虫害的情况，具有较好的抗病虫害的作用，由于实施例的黄瓜品质也比比较例具有较大幅度地提高，可见纳米土壤对促进农作物对营养物质的快速吸收具有较好的作用。另外实施例的亩产量与比较例1～2相比较，也提高了很多，可见本发明的纳米土壤也起到了一定的促产作用。由比较例2可以看出，经过本发明组成的土壤修复肥料，即使对所用土壤进行了修复，所添加的肥力以及其它组分和实施例1相同，也难以达到本发明实施例1的技术效果，可见本发明的纳米土壤比土壤修复剂的效果具有更好的效果。因此，采用本发明纳米土壤的制备方法所制备的纳米土壤，由于具有较好的透气性，不易板结，不仅具有促进农作物的光合作用和抗病虫害，促进农作物对养分和营养元素的快速吸收，还具有提高农作物的产量和品质等作用。

Claims

1.一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将二氧化钛和土壤以质量比为1：(800～1000)，溶于水中，制得浓度为700～800g/L的土壤悬浮液，然后边搅拌，边加入质量浓度为10％的氨水，调节溶液的pH为7～7.5，再加入分散剂和EDTA二钠，然后再搅拌10～20min；

B、向步骤A中制备的土壤悬浮液中加入无机复合肥，然后继续搅拌10～20min，制得含无机复合肥的土壤悬浮液；

C、将步骤B制备的含无机复合肥的土壤悬浮液，湿法砂磨，直至溶液中悬浮物的粒径小于0.1μm，制得纳米土壤浆液；

E、将步骤D制得的纳米土壤和生物有机肥以质量比为(400～500)：1进行物理混合，制得纳米土壤；

步骤A中，所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛，平均粒径≤3μm，Fe的质量含量为0.05～0.08％，TiO₂质量含量≥98％，锐钛型TiO₂质量含量≥99％，重金属质量含量≤5ppm。

2.根据权利要求1所述的一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，步骤A中，所述分散剂为六偏磷酸钠，添加量为二氧化钛质量的0.1～0.3％，EDTA二钠添加量为土壤质量的0.01～0.05％。

3.根据权利要求1所述的一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，步骤B中，所述无机复合肥按质量比计，为硝酸铵：磷酸二氢钾：硝酸镁：硼酸锌：过磷酸钙：硝酸铜＝1：1：0.2：0.1：0.1：0.05，无机复合肥的添加量为土壤质量的0.1～0.3％。

4.根据权利要求1所述的一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，步骤C中，利用卧式砂磨机，进行循环反复湿法砂磨。

5.根据权利要求1所述的一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，步骤E中，所述的生物有机肥为以动植物残体、畜禽粪便和农作物秸秆为来源，经无害化处理和腐熟得到的肥料。

6.根据权利要求1所述的一种纳米土壤的制作方法，其特征在于，步骤A和B中，搅拌的转速为300～500rpm。