CN110252791A - 一种移除土壤中重金属污染的仿生植物 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，所述仿生植物包括地下根系部分、地上枝干部分以及位于所述仿生植物内部的填料，所述地下根系部分至少包括主根系和二级根系，所述地下根系部分的内侧和外侧负载有导电材料。所述仿生植物的地下根系部分可以吸附并转移重金属离子，地上枝干部分可以吸附富集污染物，便于土壤水分的蒸发和蒸腾，有利于污染物转移到地上部分。

Description

一种移除土壤中重金属污染的仿生植物

技术领域

本发明属于环境保护领域，涉及一种土壤修复用仿生植物，尤其涉及一种移除土壤中重金属污染的仿生植物。

背景技术

植物修复是利用植物对污染物的吸收作用、挥发作用和根系分泌物的固定作用，从而去除土壤污染物质，降低污染浓度的方法。植物修复的作用机理分别是植物稳定、植物挥发以及植物提取。植物修复可以将重金属移除土壤，并且不存在二次污染，因此成为目前土壤修复的研究热点。但是植物修复具有修复时间长、超富集植物种类少、生物量小的缺点。

为了克服以上缺点，通过模拟植物蒸腾过程和毛细作用等植物生理现象，提出植物仿生原位修复技术。该方法通过模拟植物根系对土壤水分的吸收和植物叶片的蒸腾作用来带动迁移土壤中的重金属和有机污染物，将土壤中的污染物转移至修复装置中，同时被修复装置内的吸附材料，吸附、固定或截留在修复装置内，从而达到富集污染物于修复装置，从而降低土壤重金属和有机污染物的浓度。

CN 2769261公开了一种对河流微污染水体进行净化的仿生植物。该技术方案采用生物材料仿植物的茎、节、叶，制成仿生植物，将其设置在河流中，对微污染水体进行净化。解决了现有技术间接净化效果差且工艺复杂、费用高的缺陷，采用生物填料造成浮游植物大量繁生而影响净化效果及阻挡航运的缺陷。所述仿生植物底部固定，直立在河床中，可在河流水体中自动摆动，柔软有韧，表面粗糙的填料丝附着大量微生物，形成生物膜，对污染物质进行净化，即挂膜。

CN 107052036 A公开了一种用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，包括仿生植物系统，仿生植物系统包括太阳能系统、重金属提取系统与重金属吸收系统；太阳能系统、重金属提取系统设置在地面上，重金属吸收系统设置在地面下；太阳能系统通过仿生物植物茎与重金属提取系统连接；重金属提取系统的下端与仿生植物主根连接，仿生植物主根的侧面通过螺旋口设置仿生植物须根，仿生植物主根与仿生植物须根构成了重金属吸收系统；实现对土壤重金属污染的修复，修复效率高，修复周期短，可以对深层土壤进行修复且无二次污染。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，所述仿生植物的地下根系部分可以吸附并转移重金属离子，地上枝干部分可以吸附富集污染物，便于土壤水分的蒸发和蒸腾，有利于污染物转移到地上部分。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，所述仿生植物包括地下根系部分、地上枝干部分以及位于所述仿生植物内部的填料，所述地下根系部分至少包括主根系和二级根系，所述地下根系部分的内侧和/或外侧负载有导电材料。

本发明中，所述仿生植物的地下根系部分包括至少两级根系，即并不仅限于两级的多级根系设计，有效增加了根系与污染物的接触面积，使得本发明提供的仿生植物对重金属污染物的吸收量和吸收率均得到提高。

本发明中，仿生植物的地下根系部分以及地上枝干部分的材料为可循环利用的材料，如PVC等。

作为本发明优选的技术方案，所述导电材料包括石墨、炭黑、碳纳米管、巴基球或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：石墨和炭黑的组合、炭黑和碳纳米管的组合、碳纳米管和巴基球的组合、巴基球和石墨烯的组合、石墨烯和石墨的组合或碳纳米管、巴基球和石墨烯的组合等，优选为石墨烯。

本发明中，地下根系部分的内侧和外侧负载石墨烯的方法为：将地下根系部分浸泡在石墨烯分散液中，石墨烯分散液浓度：0.3-1.5mg/ml，优选1mg/ml，浸泡时间为10～120min。

本发明中，所述地下根系部分的内侧和外侧负载有导电材料，可以提高仿生植物的导电性，由于碳导电材料本身具有多孔结构，还可以增加地下根系部分对重金属离子的吸附作用。

作为本发明优选的技术方案，所述地下根系部分的长度为10～30cm，如12cm、15cm、18cm、20cm、22cm、25cm或28cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述主根系的长度为10～30cm，如12cm、15cm、18cm、20cm、22cm、25cm或28cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述主根系的内径为5～10cm，如5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm或9.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述二级根系的长度为5～10cm，如5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm或9.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述二级根系的内径为2～5cm，如2.5cm、3cm、3.5cm、4cm或4.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述地下根系部分设有孔径为0.1～1cm的孔，如0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm或0.9cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，在地下根系部分上设置0.1～1cm的孔，可以增加污染物向上转移的路径，具体孔径大小根据根系内径宽度不同适当设置。

作为本发明优选的技术方案，所述地下根系部分包括设置于所述二级根系上的三级根系。

优选地，所述三级根系的长度为5～10cm，如5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm或9.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述三级根系的内径为0.5～2cm，如0.6cm、0.8cm、1cm、1.2cm、1.5cm或1.8cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，当设置三级根系以及跟多级根系时，其上面依旧设施有孔径为0.1～1cm的孔。

作为本发明优选的技术方案，所述地上枝干部分至少包括主枝干以及二级枝干。

优选地，所述主枝干的长度为10～40cm，如15cm、20cm、25cm、30cm或35cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，所述主枝干的内径与主根系的内径相同。

优选地，所述二级枝干的长度为5～10cm，如5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm或9.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述二级枝干的内径为2～5cm，如2.5cm、3cm、3.5cm、4cm或4.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，所述二级枝干位于主枝干上，且错落安装。

作为本发明优选的技术方案，所述填料包括沸石、硅藻土、高岭石以及活性碳中的至少任意三种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：硅藻土、高岭石和活性碳的组合、沸石、高岭石和活性碳的组合、沸石、硅藻土和活性碳的组合、沸石、硅藻土和高岭石的组合或沸石、硅藻土、高岭石和活性碳的组合等。

作为本发明优选的技术方案，所述沸石的质量份为2～4份，如2.2份、2.5份、2.8份、3份、3.2份、3.5份或3.8份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述硅藻土的质量份为2～4份，如2.2份、2.5份、2.8份、3份、3.2份、3.5份或3.8份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述高岭石的质量份为1～4份，如1.2份、1.5份、2份、2.2份、2.5份、2.8份、3份、3.2份、3.5份或3.8份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述活性炭的质量份为2～5份，如2.5份、3份、3.5份、4份或4.5份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述填料下方铺设有蛭石。

优选地，所述蛭石铺设的高度为填料高度的1/10～1/3，如1/9、1/8、1/7、1/6、1/5或1/4等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1/5。

本发明中，在填料下方铺设蛭石，可以更有效的促进污染物随着水分蒸发从而向上运输。

作为本发明优选的技术方案，所述仿生植物包括仿生叶片。

优选地，所述仿生叶片固定于地上枝干部分的外侧和/或二级枝干上。

优选地，所述仿生叶片的长度为5～15cm，如6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm、13cm或14cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为10cm。

作为本发明优选的技术方案，所述仿生叶片的材料包括玻璃纤维丝、玻璃纤维布或者棉纱线中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：玻璃纤维丝和玻璃纤维布的组合、玻璃纤维布和棉纱线的组合、棉纱线和玻璃纤维丝的组合或玻璃纤维丝、玻璃纤维布和棉纱线的组合等，优选为玻璃纤维丝。

本发明中，在地上枝干部分外侧和/或二级枝干上安装仿生叶片，且仿生叶片选择吸水能力强、蒸发性能好以及能吸附负极污染物的扩散材料，便于土壤水分的蒸发和蒸腾，有利于污染物转移到地上部分。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，所述仿生植物利用可循环利用的材料制作仿生植物的整体支撑结构，且埋于土壤以下根系部分喷涂导电材料，增加了仿生根系的导电性，更有利于污染物，尤其是重金属离子的转移；管内填料为粘土矿物填料，可以有效吸附污染物；地上部分的顶端设有吸水能力强、蒸发性能好且能吸附富集污染物的扩散材料，便于土壤水分的蒸发和蒸腾，有利于污染物转移到地上部分。

附图说明

图1是本发发明提供的一种移除土壤中重金属污染的仿生植物的结构示意图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

本发明具体实施方式中，实验土壤样品取自江西省赣州市某地农田实际污染土壤，自然风干、磨碎过100目筛，备用。土壤pH5.85，重金属Cd、Cr和Zn含量分别为1.8mg/kg、328mg/kg和298mg/kg，均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)中的筛选值。

供试仿生装置自己制作完成，按照实验要求进行不同尺寸的制作。

供试试剂均选用分析纯。

供试填料中活性炭、硅藻土、沸石、高岭石等均为市售。

实施例1

负载石墨烯对仿生植物吸附重金属的影响

制作仿生修复装置：按照上述表述，支撑结构采用PVC材质，主根系15cm，内径宽7cm；二级根系长5cm，内径宽3cm；三级根系长5cm，内径宽1.5cm。主枝干15cm，内径宽7cm；二级枝干长5cm，内径宽3cm。仿生“叶片”采用玻璃纤维丝，固定于二级枝干中，每个二级枝干上均设置仿生叶片，10cm外露在空气中。填充材料选用底部3cm蛭石，混合填充材料包括沸石2份、活性炭4份、硅藻土3份以及高岭石1份。

实验组的根系部分在浓度1mg/ml的液态石墨烯(1mg/ml)中浸泡30min后(石墨烯的制作方法采用氧化石墨还原法)，取出晾干。对照组不负载石墨烯。两组实验同时进行，且实验条件相同，考察土壤修复效果。将仿生修复装置放入污染土壤后，对实验土进行喷水灌溉，随后保持实验土壤表面始终处于湿润状态。于30日后进行土壤中重金属含量、填料中重金属含量以及仿生叶片中重金属含量的测定(GB15618-2018)。

检测结果如下表1所示：

表1

表1中可以明显的看出，负载石墨烯的实验组土壤修复效果更好。其中，Cd、Cr、Zn的含量降低效率分别为33.3％、21.3％、21.1％；对照组降低效率16.7％、12.5％、14.8％。填料及叶片中的重金属吸收效率也要高于对照组。以上结果表明，石墨烯由于其超强的导电性能，负载于仿生根系后能够有效增加重金属离子的流动性，有利于随着水分向仿生根系中转移，随着蒸腾作用及毛细作用进一步转移至填料和叶片中。

实施例2

填料的选择对仿生植物吸附重金属的影响

制作仿生修复装置：按照上述表述，支撑结构采用PVC材质，地下根系部分负载石墨烯涂层(根系部分在浓度1mg/ml的液态石墨烯中浸泡30min后)。主根系15cm，内径宽7cm；二级根系长5cm，内径宽3cm；三级根系长5cm，内径宽1.5cm.主枝干15cm，内径宽7cm；二级枝干长5cm，内径宽3cm。不设置仿生叶片。

填充材料选用底部3cm蛭石，上层填料分别采用沸石、活性炭、硅藻土以及三者的混合料(三者占比各1/3)。四组实验同时进行，且实验条件相同，考察土壤修复效果。将仿生修复装置放于污染土壤后，对实验土进行喷水灌溉，随后保持实验土壤表面始终处于湿润状态。于30日后进行填料中重金属含量的测定(GB15618-2018)以判定单一填料与混合填料的吸附效果。

检测结果如下表2所示：

表2

	沸石组	活性炭组	硅藻土组	混合料组
					Cd(mg/kg)	30	21	28	34
Cr(mg/kg)	61	48	93	129
					Zn(mg/kg)	90	59	104	138

从表2的结果可以看出，不同种类的填料对重金属吸附效果不同，对不同种类的重金属吸附效果也不同，但是，利用混合填料吸附效果要比单一填料吸附效果好，原因可能是不同吸附剂填料表面吸附点位不同，吸附能量不一致，对金属离子种类、竞争吸附作用和吸附方式等因素都会影响，因此，混合填料中各种填料可以发挥其吸附优势，进而对比单一填料可以更加有效的吸附不同种类的重金属。

实施例3

叶片材质的选择对仿生植物吸附重金属的影响

试验中污染土壤的重金属主要通过两种途径降低，一是植物仿生修复装置中的填料对重金属的吸附作用，二是未经填料截留或填料吸附饱和后的重金属通过水分运输转移到模拟“叶片”上并被富集。因此，试验同样测定了模拟“叶片”中重金属含量的变化。

制作仿生修复装置：按照上述表述，支撑结构采用PVC材质，地下根系部分负载石墨烯涂层(根系部分在浓度1mg/ml的液态石墨烯中浸泡30min后)。主根系15cm，内径宽7cm；二级根系长5cm，内径宽3cm；三级根系长5cm，内径宽1.5cm.主枝干15cm，内径宽7cm；二级枝干长5cm，内径宽3cm。填充材料选用底部3cm蛭石，上部混合填充材料包括沸石2份、活性炭4份、硅藻土3份以及高岭石1份。

仿生“叶片”采用玻璃纤维丝、玻璃纤维布以及棉纱线，固定于二级枝干中，每个二级枝干上均设置仿生叶片，10cm外露在空气中。三组实验同时进行，且实验条件相同，考察土壤修复效果。将仿生修复装置放于污染土壤后，对实验土进行喷水灌溉，随后保持实验土壤表面始终处于湿润状态。于30日后进行叶片的蒸发效率以及重金属含量的测定(GB15618-2018)。

结果如下表3所示：

表3

以上结果可以明显看出，仿生“叶片”不同材料对蒸发速率大小的影响顺序为：玻璃纤维丝>玻璃纤维布>棉纱线。并且，玻璃纤维丝在三者中对重金属的吸附量也是最大的。

由此可见，植物仿生装置的模拟“叶片”同样能够吸附土壤中的重金属。仿生“叶片”不仅在土壤水分蒸发和土壤溶液中重金属运移方面具有重要作用，而且能够富集未被填料吸附的重金属，属于仿生植物中不可或缺的一部分。

实施例4

本实施例提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，支撑结构采用PVC材质，地下根系部分负载石墨烯涂层(根系部分在浓度1mg/ml的液态石墨烯中浸泡30min后)。主根系10cm，内径宽5cm；二级根系长5cm，内径宽2cm；三级根系长5cm，内径宽0.5cm；主枝干10cm，内径宽5cm；二级枝干长5cm，内径宽2cm。仿生“叶片”采用玻璃纤维丝，固定于二级枝干中，每个二级枝干上均设置仿生叶片，5cm外露在空气中。填充材料选用底部2.5cm蛭石，上部混合填充材料包括沸石4份、活性炭2份、硅藻土2份以及高岭石4份。

考察土壤修复效果，将仿生修复装置放于污染土壤后，对实验土进行喷水灌溉，随后保持实验土壤表面始终处于湿润状态。于30日后进行叶片的蒸发效率以及重金属含量的测定(GB15618-2018)。Cd、Cr、Zn的含量降低效率分别为42％、53％、48％。

实施例5

本实施例提供一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，支撑结构采用PVC材质，地下根系部分负载石墨烯涂层(根系部分在浓度1mg/ml的液态石墨烯中浸泡30min后)。主根系30cm，内径宽10cm；二级根系长10cm，内径宽5cm；三级根系长10cm，内径宽2cm；主枝干40cm，内径宽10cm；二级枝干长10cm，内径宽5cm。仿生“叶片”采用玻璃纤维丝，固定于二级枝干中，每个二级枝干上均设置仿生叶片，15cm外露在空气中。填充材料选用底部2.7cm蛭石，上部混合填充材料包括沸石2份、活性炭5份、硅藻土4份以及高岭石1份。

考察土壤修复效果，将仿生修复装置放于污染土壤后，对实验土进行喷水灌溉，随后保持实验土壤表面始终处于湿润状态。于30日后进行叶片的蒸发效率以及重金属含量的测定(GB15618-2018)。Cd、Cr、Zn的含量降低效率分别为67％、77％、69％。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种移除土壤中重金属污染的仿生植物，其特征在于，所述仿生植物包括地下根系部分、地上枝干部分以及位于所述仿生植物内部的填料，所述地下根系部分至少包括主根系和二级根系，所述地下根系部分的内侧和/或外侧负载有导电材料。

2.根据权利要求1所述的仿生植物，其特征在于，所述导电材料包括石墨、炭黑、碳纳米管、巴基球或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，优选为石墨烯。

3.根据权利要求1或2所述的仿生植物，其特征在于，所述地下根系部分的长度为10～30cm；

优选地，所述主根系的长度为10～30cm；

优选地，所述主根系的内径为5～10cm；

优选地，所述二级根系的长度为5～10cm；

优选地，所述二级根系的内径为2～5cm；

优选地，所述地下根系部分设有孔径为0.1～1cm的孔。

4.根据权利要求1-3任一项所述的仿生植物，其特征在于，所述地下根系部分包括设置于所述二级根系上的三级根系；

优选地，所述三级根系的长度为5～10cm；

优选地，所述三级根系的内径为0.5～2cm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的仿生植物，其特征在于，所述地上枝干部分至少包括主枝干以及二级枝干；

优选地，所述主枝干的长度为10～40cm；

优选地，所述二级枝干的长度为5～10cm；

优选地，所述二级枝干的内径为2～5cm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的仿生植物，其特征在于，所述填料包括沸石、硅藻土、高岭石以及活性碳中的至少任意三种的组合。

7.根据权利要求6所述的仿生植物，其特征在于，所述沸石的质量份为2～4份；

优选地，所述硅藻土的质量份为2～4份；

优选地，所述高岭石的质量份为1～4份；

优选地，所述活性炭的质量份为2～5份。

8.根据权利要求1-7任一项所述的仿生植物，其特征在于，所述填料下方铺设有蛭石；

优选地，所述蛭石铺设的高度为填料高度的1/10～1/3，优选为1/5。

9.根据权利要求1-8任一项所述的仿生植物，其特征在于，所述仿生植物包括仿生叶片；

优选地，所述仿生叶片固定于地上枝干部分的外侧和/或二级枝干上；

优选地，所述仿生叶片的长度为5～15cm，优选为10cm。

10.根据权利要求9所述的仿生植物，其特征在于，所述仿生叶片的材料包括玻璃纤维丝、玻璃纤维布或者棉纱线中的任意一种或至少两种的组合，优选为玻璃纤维丝。