CN110404508A - 一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤及其制备方法。所述的土壤通过在非饱和状态下其本身的基质吸力，以及额外添加进土体中的活性炭颗粒，纳米级二氧化钛粉，电气石粉来达到吸附并降解大气颗粒污染物的作用。采用多种颗粒共同作用的模式，在人工采用气液两相流喷雾或自然降雨使得大气颗粒污染物落入土壤后被吸附不可逃逸并由于水与二氧化钛以及电气石相互作用产生的负离子使得大气颗粒污染物中被化学降解。本发明的吸附并降解大气颗粒污染物的土壤制备方法简单，并且由于本身是一种土壤，在不占用城市原有空间的前提下可以作为路基填土、绿化带填土等使用，应用前景广泛，体现出高效、绿色、便捷、可持续使用的特点。

Description

一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤及其制备方法
技术领域
本发明属于土壤在空气污染治理中的利用领域，具体涉及一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤及其制备方法。
背景技术
当人类社会生产活动中向大气排放出的微小的颗粒状物质分散到大气中时，大气的光化学反应促进挥发性有机化合物(VOC)的氧化，从而形成固体气溶胶，这样产生的气溶胶即为我们日常生活中的霾，也称之为大气颗粒污染物。燃煤排放、工业排放、汽车尾气和城市扬尘是大气颗粒污染物的主要一次来源。与此同时，气候、气象因素也会显著的影响大气颗粒污染物的扩散、迁移以及组分的二次转化。大气颗粒污染物中含有Cl、C、Fe、Ca、S和K等元素以及烃(如甲烷)、CH3CL、氮氧化合物(NO)、甲醛、NH3等有机质。人类的呼吸系统疾病以及心肺疾病发病率与大气中的颗粒污染物浓度成正比，大气中的颗粒污染物甚至于还会影响胚胎发育。在中国更加重视环保问题，践行山水林田湖草综合治理的今天，通常采用人工气液两相流喷雾或等待自然降雨使得大气颗粒污染物随着水分子落入土壤。然而在污染物颗粒落入土壤后并未进行二次处理，在水分被阳光蒸干后大气颗粒污染物又会被自然风或人类活动带至空气中，形成二次污染。
基质吸力又可以称作广义毛细力，主要是由气水界面的收缩膜，即表面张力引起的。这种吸力只存在于非饱和土中，一般情况下基质吸力与土壤中的含水率相关，含水率越低，基质吸力越强，常用的推测基质吸力大小的公式是Fredlund和Xing根据孔径分布提出的三参数模型其表达式如下:
式中：ψ为吸力；
θs为饱和土的体积含水率；
a，m，n为模型的拟合参数；
e为自然对数常量。
C(ψ)为修正因子，有如下关系：
ψr—残余含水量状态时的吸力值(kPa)。
活性炭粉末是一种具有极高的比表面积的吸附性材料。这种材料是将有机原料在无氧条件下加热从而炭化。炭化后的材料在与气体反应后表面会被侵蚀，从而产生活化反应，即大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀，所以造成了活性炭表面具有无数细小孔隙。由于其极高的比表面积以及小孔隙的吸附性，活性炭常被用于吸附室内污染物或颗粒污染物物。
纳米粉体是指颗粒粒径小于100nm的粒子。纳米粉体在保持原有物质化学性质的同时，还会在磁性、化学活性、催化等方面表现出不同。纳米级二氧化钛具有核-壳结构，也具有大量的微孔结构，具有极好的重金属离子吸附作用，对于常见的空气颗粒污染物中的AS(III)以及Cr(VI)、Zn、Cd、Co、Pb等具有吸附性和催化性。
电气石又称托玛琳，是一种硼硅酸盐矿物，其化学通式为NaR3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4。电气石的晶体结构是硅氧四面体组成的复三方环，两个高电荷的原子在结晶格架上排列明显错位,由此致使晶体一端为电荷正极,另一端为电荷负极,电子永不停息的从负极流向正极,从而形成了电流和静电场。同时，电气石在接触到采用人工气液两相流喷雾或自然降雨所产生的、携带着大气颗粒污染物的水后，会瞬间把水负离子化，产生带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子，氢离子与电气石自身产生的负离子结合而被中和，变成氢原子被释放，余下的氢氧根离子则与水分子结合，产生H3O2 -。电气石还对重金属离子具有极好的吸附作用，晶体表面的静电场会将重金属离子吸附到晶体负极，使得局部的重金属离子浓度急剧增加，与电解水产生的氢氧根以及H3O2 -，形成沉淀析出，当离子浓度平衡时即不再继续反应，因此使用电气石吸附，降解大颗粒污染物具有绿色、高效、无污染、可持续的特点。
在现有技术中，城市在雾霾天气采用人工气液两相流喷雾或自然降雨使空气中的颗粒污染物随雨水落入地表后并未进行二次处理，在水分蒸干后极易被风吹起，形成二次污染。因此，本领域需要一种可以吸附并降解大气颗粒污染物的土壤。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤及其制备方法。制备的土壤可防止在采用人工气液两相流喷雾或自然降雨后随水分降至地表的大气颗粒污染物二次污染，本发明采用如下技术方案：
一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，原料各成分的质量百分构成为：粘土或砂土颗粒65％～93％，纳米级二氧化钛0％～10％，电气石粉5％～10％，活性炭颗粒2％～15％。
进一步地，本发明中的用于吸附空气颗粒污染物的土壤，土壤中用于提供基质吸力的粘土或砂土颗粒的质量百分比为70％～79％。
进一步地，本发明中的用于吸附空气颗粒污染物的土壤，其中电气石粉末的质量比为8％～10％。
进一步地，本发明中的用于吸附空气颗粒污染物的土壤，其中活性炭粉末的质量比为5％～10％。
进一步地，本发明中的用于吸附空气颗粒污染物的土壤，其中纳米级二氧化钛粉末的质量比为8％～10％。
进一步地，本发明还提供上述用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将活性炭研磨至呈粉末状，并使用2mm筛筛分，取过筛部分用作样品，直至全部过筛，然后在电热鼓风干燥箱中干燥，使样品分散；
步骤2，将粘土或砂土在电热鼓风干燥箱中烘干后用碾子碾碎，然后使用2mm筛网筛分，取过筛的部分用作样品土壤。
步骤3，将水按照水-土质量比1:1～10:1加入步骤2中获得的样品土壤中，加水过程中需要按照先配置一定百分比的混合溶液至均匀态后反复操作的方式，在混合物中加水并不断搅拌保证土颗粒分散均匀，然后将土-水混合物放入真空泵中，抽真空至-10-1MPa后，静置24小时以使得水进入土中的微小孔隙。
步骤4，边搅拌边向土-水混合物中按照土-单种粉末质量比分别加入活性炭粉末、纳米级二氧化钛粉末以及电气石粉末。
步骤5，将加入了活性炭粉末、纳米级二氧化钛粉末以及电气石粉末以及水的土壤样品放入真空泵中抽真空后，静置一段时间以减少因大气压力作用导致的不同粉末的不均匀分布。
步骤6，将步骤5中的样品上层清水去除，将余下部分自然风干至非饱和状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过利用质量比为65％～93％的土或砂等非饱和土壤中的基质吸力吸引由采用人工气液两相流喷雾或自然降雨从而随雨水落到地表的空气颗粒污染物实现一次吸附，同时，由于水的自重应力以及静水压力，雨水的下渗距离也会变深，进一步一增加了空气颗粒污染物与本发明的接触面积，增强了吸附、降解的作用。
(2)通过添加质量比为2～15％的活性炭颗粒使得土壤具有更强的颗粒吸附性，使得空气颗粒污染物在土中的逃逸阻力变大，不易产生二次污染。
(3)通过添加质量比为0～10％的纳米级二氧化钛粉末以及质量比为5～10％的电气石粉使得随着人工气液两相流喷雾或自然降雨从而随雨水落到地表的空气颗粒污染物被纳米级二氧化钛粉末以及电气石粉电解水所产生的负离子形成沉淀析出。电气石还对重金属离子具有极好的吸附作用，晶体表面的静电场会将重金属离子吸附到晶体负极，使得局部的重金属离子浓度急剧增加，与电解水产生的氢氧根以及H3O2 -，形成沉淀析出，当离子浓度平衡时即不再继续反应，因此使用电气石吸附，降解大颗粒污染物具有绿色、高效、无污染、可持续的特点。
附图说明
图1本发明实施方式1所用的网纹红土微观结构；
图2本发明实施方式1所述的电气石粉微观结构；
图3本发明实施方式1所用的活性炭粉微观结构；
图4本发明实施方式1所用的纳米级二氧化钛微观结构；
图5本发明制备的吸附并降解大气颗粒污染物的土壤微观结构。
具体实施方式
下面结合对本发明的一个实施例作进一步详细说明，实施例仅是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员在没有做出创造性成果的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，其质量比为，土：水：活性炭：二氧化钛：电气石＝10:20:2:1:1，制备方法如下：
(1)称取1kg活性炭并研磨至粉末状，并使用2mm筛筛分，取过筛部分用作样品，直至全部过筛，然后在102℃的电热鼓风干燥箱中干燥备用。
(2)称取8kg原状网纹红土，先在102℃的电热鼓风干燥箱中烘干24小时后用碾子碾碎，然后使用2mm筛网筛分，取过筛的部分用作样品土壤直至过筛土壤重量达到5kg，并等分为5份，每份1kg。
(3)称取2kg水，变搅拌边取步骤(2)中的一份土缓缓倒入，在搅拌过程中要确保样品不结块，分散均匀。重复5次将步骤(2)中获取的5kg过筛土与10kg水混合均匀。
(4)将步骤(3)中得到的土-水混合物放入真空泵中抽真空至-10-1MPa后，静置24小时以使得水进入土中的微小孔隙。
(5)称取500g纳米级二氧化钛，500g电气石粉末，与步骤(1)中获得的干燥活性炭粉末按照步骤(2)中的操作手法加入步骤(4)中获得的过饱和土-水混合物中。
(6)将步骤(5)中得到的混合物放入真空泵中抽真空至-10-1MPa后，静置24小时以尽可能减少因大气压力作用导致的不同粉末的不均匀分布。
(7)去除步骤(6)中获得的上层清水，并将余下部分自然风干至基质土壤非饱和状态的进气值含水率。图1为本发明所用的网纹红土微观结构；图2为本发明电气石粉微观结构；图3为活性炭粉微观结构；图4为所用的纳米级二氧化钛微观结构；图5为制备的吸附并降解大气颗粒污染物的土壤微观结构。
实施例2
一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，各成分质量比为，土：水：活性炭：二氧化钛：电气石＝13:13:3:2:2，制备方法如下：
(1)称取1500g活性炭并研磨至粉末状，并使用2mm筛筛分，取过筛部分用作样品，直至全部过筛，然后在104℃的电热鼓风干燥箱中干燥备用。
(2)称取8kg原状网纹红土，先在104℃的电热鼓风干燥箱中烘干24小时后用碾子碾碎，然后使用2mm筛网筛分，取过筛的部分用作样品土壤直至过筛土壤重量达到6.5kg，并等分为13份，每份500g。
(3)称取0.5kg水，变搅拌边取步骤(2)中的一份土缓缓倒入，在搅拌过程中要确保样品不结块，分散均匀。重复13次将步骤(2)中获取的6.5kg过筛土与6.5kg水混合均匀。
(4)将步骤(3)中得到的土-水混合物放入真空泵中抽真空至-10-2MPa后，静置20小时以使得水进入土中的微小孔隙。
(5)称取1000g纳米级二氧化钛，1000g电气石粉末，与步骤(1)中获得的干燥活性炭粉末按照步骤(2)中的操作手法加入步骤(4)中获得的过饱和土-水混合物中。
(6)将步骤(5)中得到的混合物放入真空泵中抽真空至-10-2MPa后，静置24小时以尽可能减少因大气压力作用导致的不同粉末的不均匀分布。
(7)去除步骤(6)中获得的上层清水，并将余下部分自然风干至基质土壤非饱和状态的进气值含水率。
实施例3
一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，各成分质量比为，土：水：活性炭：电气石＝93:100:2:5，制备方法如下：
(1)称取200g活性炭并研磨至粉末状，并使用2mm筛筛分，取过筛部分用作样品，直至全部过筛，然后在105℃的电热鼓风干燥箱中干燥备用。
(2)称取10kg原状网纹红土，先在105℃的电热鼓风干燥箱中烘干24小时后用碾子碾碎，然后使用2mm筛网筛分，取过筛的部分用作样品土壤直至过筛土壤重量达到9.3kg，并等分为10份，每份0.93kg。
(3)称取1kg水，变搅拌边取步骤(2)中的一份土缓缓倒入，在搅拌过程中要确保样品不结块，分散均匀。重复5次将步骤(2)中获取的9.3kg过筛土与10kg水混合均匀。
(4)将步骤(3)中得到的土-水混合物放入真空泵中抽真空至-10-1MPa后，静置18小时以使得水进入土中的微小孔隙。
(5)称取500g电气石粉末，与步骤(1)中获得的干燥活性炭粉末按照步骤(2)中的操作手法加入步骤(4)中获得的过饱和土-水混合物中。
(6)将步骤(5)中得到的混合物放入真空泵中抽真空至-10-1MPa后，静置24小时以尽可能减少因大气压力作用导致的不同粉末的不均匀分布。
(7)去除步骤(6)中获得的上层清水，并将余下部分自然风干至基质土壤非饱和状态的进气值含水率。

Claims (7)

1.一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，其特征在于，原料各成分的质量百分构成为：粘土或砂土颗粒65％～93％，纳米级二氧化钛0％～10％，电气石粉5％～10％，活性炭颗粒2％～15％。
2.优化的，根据权利要求1所述的用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，其特征在于，土壤中用于提供基质吸力的粘土或砂土颗粒的质量百分比为70％～79％。
3.优化的，根据权利要求1所述的用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，其特征在于：活性炭颗粒的质量比为5％～10％。
4.优化的，根据权利要求1所述的用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤，其特征在于：纳米级二氧化钛粉末的质量比为8％～10％。
5.一种根据权利要求1所述一种用于吸附并降解大气颗粒污染物的土壤的制备方法：
(1)将活性炭研磨至呈粉末状，并使用筛将其筛分，取过筛部分用作样品，直至全部粉末小于2mm，然后在电热鼓风干燥箱中干燥，使样品分散；
(2)将粘土或砂土在电热鼓风干燥箱中烘干水分后用碾子碾碎，然后使用将样品土全部用筛筛分至2mm以下，取过筛的部分用作样品土壤；
(3)将水按照水-土质量比1～10:1加入步骤(2)中获得的样品土壤中，加水过程中按照先配置一定百分比的混合溶液至均匀态后反复操作的方式，在混合物中加水并不断搅拌保证土颗粒分散均匀，然后将土-水混合物放入真空泵中，抽真空至后，静置一段时间以使得水进入土中的微小孔隙；
(4)边搅拌边向步骤(3)制得的土-水混合物中按照土-单种粉末质量比分别加入活性炭粉末、纳米级二氧化钛粉末以及电气石粉末；
(5)将加入了活性炭粉末、纳米级二氧化钛粉末以及电气石粉末以及水的土壤样品放入真空泵中抽真空后，静置，用来减少因大气压力作用导致的不同粉末的不均匀分布；
(6)将步骤5中的样品上层清水去除，将余下部分自然风干至用作主体部分的土壤的进气值相对的非饱和含水率。
6.根据权利要求5所述的，其特征在于：所述步骤(2)干燥的温度为100～105℃。
7.根据权利要求5所述的，其特征在于：所述步骤(3)以及步骤(5)中静置的时间为8～24小时。
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