CN110614267A - 一种在土壤中固定水稻中铅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在土壤中固定水稻中铅的方法，涉及土壤治理领域。在土壤中固定水稻中铅的方法，采用将种植水稻的土壤与Fe3O4@NH2拌匀的方法来固定水稻中的铅。本发明利用将Fe3O4@NH2颗粒添加到土壤中，从而固定土壤环境中的重金属，显著降低水稻根和茎中铅的浓度。这种磁性颗粒可以回收利用，在土壤重金属治理方面具有巨大潜力。

Description

一种在土壤中固定水稻中铅的方法
技术领域
本发明涉及土壤治理领域，具体涉及一种Fe3O4 @ NH2在土壤中固定两个水稻品种中的铅的方法。
背景技术
纳米技术的应用最近在电子、光学、催化剂、涂料、油漆、颜料、医学和能源领域得到了增加。据不完全统计，2010年全球每年的Fe和Fe氧化物产量为42000吨/年。其中大部分可能被丢弃在垃圾填埋场，土壤和污水污泥中[1]。但是，60％的污水污泥（例如生物固体）被重新利用到美国和英国的土地上[2]。因此，土地有望成为大多数NP的最终汇聚点。因此，这些引起了人们对农业土壤中这些NP的潜在污染和影响以及人类从消费中暴露的担忧。现有技术中还没有方法能够高效的处理土壤中的铅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在土壤中固定水稻中铅的方法，能够固定土壤环境中的重金属，显著降低水稻根和茎中铅的浓度。
本发明的目的采用如下技术方案实现。
一种在土壤中固定水稻中铅的方法，采用将种植水稻的土壤与Fe3O4@ NH2拌匀的方法来固定水稻中的铅。
在本发明中，所述Fe3O4@ NH2采用如下方法制备：将FeCl3·6H2O、醋酸钠和柠檬酸钠加入到乙二醇中，搅拌至溶解，转入到反应釜中，加热到180-220℃并在该温度下保温10-14h；冷却到室温，清洗后加入水中，得到Fe3O4溶液；将 Fe3O4溶液加入乙醇水溶液中，超声分散；然后再加入氨水，在30℃水浴中搅拌；加入正硅酸乙酯，继续搅拌；最后加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷，搅拌反应3-5h，得到Fe3O4@ NH2。
在本发明中，加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷反应结束后，使用无水乙醇与超纯水交替清洗，然后真空冷冻干燥。
本发明利用将Fe3O4 @NH2颗粒添加到土壤中，从而固定土壤环境中的重金属，显著降低水稻根和茎中铅的浓度。这种磁性颗粒可以回收利用，在土壤重金属治理方面具有巨大潜力。
附图说明
图1 Fe3O4 NPs（A和B）和Fe3O4 @ NH2 NPs（C和D）的TEM和SEM分析。
图2从重金属污染土壤中获得的南粳46（A）和南粳9108（B）根和茎中的Pb，Cd和As浓度。
图3用0.01 M PBS（A）和土壤浸出液（B）处理15天的Fe3O4 @NH2 NPs的SEM图。从土壤中分离出的铁氧化物的SEM（C）。从土壤中回收的Fe3O4 @NH2 NP的SEM（D），TEM（E和F）和SEM-EDX（G）。
图4从土壤中回收的Fe3O4和Fe3O4 @ NH2中Pb4f的高分辨率光谱。
图5从土壤中回收的Fe3O4 @ NH2的XRD谱。
具体实施方式
实施例1Fe3O4 @NH2颗粒的制备及结构表征
1.Fe3O4的合成过程
Fe3O4通过共沉淀方法合成。具体步骤如下：在磁力搅拌器搅拌的条件下，将1.736g的NH4Fe(SO4)2·12H2O与0.784g的 (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O，溶于100mL超纯水中，水浴加热至80℃下保温搅拌30min。为了使游离的Fe2+与Fe3+合成Fe3O4，在混合溶液中，按照1-3滴/s的速度加入20mL浓度为1M的NH4OH，使其pH值为9~11，溶液颜色从淡红色到红褐色最后变成黑色，再反应1h。整个实验过程中使用N2作为保护气体，隔绝与O2接触。溶液冷却至室温后，使用乙醇与超纯水交替分别清洗至中性，采用磁固相分离法去除液体，真空冷冻干燥48h成黑色粉末，即得Fe3O4 NPs（NPs是纳米材料的简称）。
Fe3O4 NPs直径约100 nm，在TEM中以较高的放大倍数显示，表明Fe3O4 NPs由5-10nm的纳米晶体通过非晶基质相互松散地连接（图1A和图1B）。Fe3O4 NPs颗粒的ζ电位ξ为-21.4 mV（在10μg/ mL的浓度下测试），该负电荷密度由Na3Cit引起。柠檬酸酯基团可以与Fe3+形成强络合物，并具有良好的亲水性。
2.Fe3O4@NH2的合成过程
Fe3O4@ NH2采用如下方法制备：称取1.62g的FeCl3·6H2O、4.0g的NaOAC（醋酸钠）和1.5g的Na3Cit（柠檬酸钠）加入到60mL的乙二醇中，搅拌1h。混合物充分溶解后，转入到100mL的反应釜中，加热到200℃且在200℃下保温12h。然后冷却到室温，使用无水乙醇与超纯水交替清洗，水、乙醇均分别清洗3次，保存在20mL的超纯水中，得到Fe3O4溶液。取5mLFe3O4溶液，加入15mL的超纯水和130 mL无水乙醇中，超声分散30min。再加入1mL 25-28%（体积百分浓度）的NH4OH，置于30℃水浴中，磁力搅拌30min；加入1.0mL TEOS（正硅酸乙酯），继续搅拌45min；最后加入0.5mL的APTMS（3-氨基丙基三甲氧基硅烷），搅拌状态下反应4h。反应结束后，使用无水乙醇与超纯水交替清洗，水、乙醇均分别清洗3次，真空冷冻干燥48h，即得到Fe3O4 @ NH2 NPs粉末。通过TEM技术检测Fe3O4 @ NH2NPs（以下缩写为Fe3O4 @NH2）的形貌，可以看到，二氧化硅壳已成功地被涂覆在厚度为20 nm的Fe3O4上（图1C）。通过SEM分析（图1C）也可以看见Fe3O4外侧被涂覆了一层二氧化硅。
实施例2 根和茎中As、Cd、Pb含量及相互作用分析
1.实验方法
在9个深度为40 cm的花盆中各装入20kg的土壤，平均分成3组，分别为砷、镉、铅实验组。每组中，将25 mL浓度为0.1、0.2和0.4 mg/kg相应的重金属悬浮液分别添加到一个花盆的土壤中，以模拟砷镉铅的污染。在各花盆中添加水至高出土壤表面2-3cm，以确保水稻生长中可能的重金属分布均匀性和潮湿条件。
同时设计对照实验，即在3个深度为40 cm的花盆中各装入20kg的土壤，在每个花盆中同时种植两个流行的粳稻（Oryza sativa L.）南粳46和南粳9108，以评估水稻品种的差异。生长15天后，收集并通过ICP-MS检测实验组和对照组水稻根和茎中As、Cd、Pb的吸收和转运。
2. 结果与分析
（1）根和茎中重金属含量
水稻的根和茎中砷、镉和铅的积累效应如图2。对于南粳46的水稻品种，分别用0.1、0.2和0.4 mg/kg的Pb悬浮液处理后，在稻根中发现较高的Pb浓度，各浓度Pb悬浮液处理后的稻根中Pb浓度分别为1.97、1.58和1.48 mg / kg；在茎中也发现较高浓度的Pb。在南粳9108的中，各浓度Pb悬浮液处理后的根中Pb浓度分别为1.92、1.13和0.96 mg / kg，茎中的Pb浓度分别为0.25、0.3和0.45 mg / kg。南粳9108茎中的Pb浓度与土壤中使用的Pb浓度呈高度正相关。
对于从0.1、0.2和0.4 mg / kg As处理过的土壤中采集的南粳46样品，与对照组相比，根部的相对浓度增加了54、125、101％，茎的相对浓度增加了27、68、55％。在南粳9108中，实验组根部的As浓度分别为0.45、0.67和0.73 mg / kg，是对照（0.399 mg / kg）的1.13〜1.8倍。至于在相同条件下茎中的As浓度，其值分别为0.05、0.05和0.06 mg / kg，是对照（0.025 mg / kg）的1.88-2.56倍。
从以上结果可以看出，根中富集的铅和砷的浓度高于茎中富集的铅和砷。在南粳46等两种水稻中，Pb和As积累的趋势有所不同，而南粳9108的Pb和As的吸收能力相对较高。
0.1、0.2和0.4 mg / kg Cd处理过的土壤中，南粳46根中Cd浓度分别为0.13、0.243和0.274 mg/kg，茎中Cd浓度分别为0.021、0.055和0.087 mg/kg。对于南粳9108，根中Cd浓度分别为0.102、0.183和0.227 mg/kg，茎中Cd浓度分别为0.026、0.043和0.063 mg/kg。对于两个品种水稻根部的重金属含量，As、Cd和Pb的检出浓度由高至低依次为：Pb> As>Cd。然而，南粳46茎中的重金属含量由高至低依次为Pb> Cd> As。南粳9108茎中Cd和As的浓度相似，远低于Pb。实验中土壤中的Pb、Cd和As的重金属浓度分别为21.39、0.12和4.33 mg/ kg，低于GB15618-2018用于农业土地的土壤污染中规定的风险干预值（80、0.3和20 mg /kg）。
水稻基因型与土壤状况之间存在显着的相互作用，导致水稻重金属含量的变化趋势不同。从实验结果可知，根和茎中的铅含量比镉高，这表明铅与土壤的相互作用较弱，并且在水稻中容易被水稻富集。在接下来的实验中，我们旨在使用Fe3O4 @ NH2将Pb固定在土壤基质中，并探讨它们对水稻生长早期Pb运移的影响。
实施例3 采用Fe3O4 @NH2固定水稻中铅的方法
1.Fe3O4 @ NH2的稳定性分析
0.01M的PBS处理Fe3O4 @ NH2：先配置0.01M的NaH2PO4水溶液和0.01M的Na2HPO4水溶液，分别取15mLNaH2PO4水溶液和Na2HPO4水溶液混匀后，调pH为7.4，加入0.004g的Fe3O4 @ NH2粉末，静置15天。
土壤浸出液处理Fe3O4 @ NH2：称取3g未经处理的土壤，放在50mL离心管中，然后加入30mL超纯水，振荡混匀5h，然后干滤纸过滤，收集滤液于50mL离心管中，加入0.004g的Fe3O4 @ NH2粉末，静置15天。
分别用磁铁回收采用0.01M的PBS和土壤浸出液处理后的Fe3O4 @ NH2，冻干后采用SEM进行分析。从SEM结果（图3A和3B）可见，Fe3O4 @ NH2纳米颗粒在0.01M的PBS和土壤浸出液中均是稳定的，硅壳涂层保持了Fe3O4的形状，并具有磁性。
2. 盆栽实验方法、Fe3O4 @ NH2的回收和表征
（1）盆栽实验方法
将2.5 g Fe3O4 @ NH2粉末，用混合器在20分钟内机械混合到20 kg土壤中，并转移到1个深度为40 cm的花盆中，采用相同方法共装3个花盆。然后将25 mL浓度为0、0.2和0.4 mg/kg铅悬浮液分别添加到每个花盆的土壤中，以模拟铅的污。同时，做空白实验，选择在3个深度为40 cm的花盆中各装入20kg的土壤，为对照组；将25 mL浓度为0.1、0.2和0.4 mg/kg铅的悬浮液分别添加到对照组的一个花盆土壤中。各花盆添加水至大约高出土壤表面2-3cm，以确保水稻生长中重金属分布均匀性和潮湿条件。
在每个花盆中同时种植两个流行的粳稻（Oryza sativa L.）南粳46和南粳9108，以评估水稻品种的差异。生长15天后，收集并通过ICP-MS检测水稻根和茎中Pb的吸收和转运。
（2）材料回收和表征
通过磁铁回收土壤中的Fe3O4 @ NH2，回收物中还包含了一些土壤杂质，例如Fe氧化物。通过TEM、SEM、XRD、XPS和FTIR鉴定了回收物的形态。
在土壤中，存在Fe氧化物，可以被磁铁分离（图3C）。SEM结果表明Fe氧化物和Fe3O4@ NH2具有相似的表面形态。图3D表明，Fe3O4 @ NH2可能仍然完整，并且在重金属吸附后可以回收利用。
Fe氧化物和Fe3O4 @ NH2混合物的高倍扫描电镜（图3D）表明，大多数Fe3O4 @ NH2保持其形态。由于受到复杂土壤的干扰，在135 eV至150 eV之间无法明显观察到Fe3O4-NH2-Pb中的Pb元素（Pb4f）的XPS结果（图4）。此弱峰可能是由于Pb浓度低和Si含量高。在XRD结果中也观察到了这种掩盖作用（图5），从土壤中回收的Fe3O4 @ NH2的尖峰与原始Fe3O4 @ NH2的尖峰完全不同，这是由于土壤中元素的复合物引起的。
图3E和3F显示了从土壤中回收的Fe3O4 @ NH2的TEM。由于与土壤的相互作用，Fe3O4@ NH2的完整性已被部分破坏。二氧化硅涂层已破裂，具有5-10 nm的小纳米晶体被随机聚集在一起。从SEM不能观察到这种断裂。一些非常大的颗粒（图3F）可能是从土壤中回收的铁氧化物。图3G显示了SEM-EDX分析结果。作为土壤中的元素复合物，EDX铅峰由含Fe氧化物和Fe3O4 @ NH2的Pb贡献。重量百分比的元素为O（34.18％），Si（25.41％），Fe（18.02％），Al（8.32％），Ca（5.00％），Pb（2.18％）。
为了评估Fe3O4 @ NH2在土壤中的固定能力，对获得的根和茎进行了测试。由于土壤中存在的铁氧化物也可以用磁铁与Fe3O4 @ NH2同时分离出来，因此很难采用以磁分离来确定Fe3O4 @ NH2固定的Pb含量。
Fe3O4 @ NH2的固定效果表明，添加Fe3O4 @ NH2的土壤根和茎中的Pb浓度低于未添加Fe3O4 @ NH2的土壤。对于南粳46，仅用0.1、0.2或0.4 mg / kg的Pb处理后，在稻根中发现较高的Pb浓度，依次为1.97、1.58和1.48 mg / kg，茎中Pb浓度依次为0.34、0.47和0.48mg/kg。对于南粳9108，仅用0.1、0.2或0.4 mg / kg的Pb处理后，根中对应的Pb浓度为1.92、1.13和0.96 mg / kg，茎中对应的Pb浓度为0.25、0.3和0.45 mg / kg。对于南粳46，在土壤中同时混有Fe3O4 @ NH2和0.1、0.2或0.4 mg / kg的Pb后，稻根中对应的Pb浓度分别为1.43、1.27和1.38 mg / kg，茎中对应的Pb浓度为0.20、0.33和0.4 mg/kg。对于南粳9108，在土壤中同时混有Fe3O4 @ NH2和0.1、0.2或0.4 mg / kg的Pb后，根中对应的Pb浓度为1.21、0.87和0.71 mg / kg，茎中对应的Pb浓度为0.13、0.23和0.26 mg / kg。上述实验表明，Fe3O4 @ NH2在土壤中固定了一些Pb，减少了水稻中Pb的含量。

Claims (3)

1.一种在土壤中固定水稻中铅的方法，其特征在于采用将种植水稻的土壤与Fe3O4@NH2拌匀的方法来固定水稻中的铅。
2.根据权利要求1所述在土壤中固定水稻中铅的方法，其特征在于所述Fe3O4@ NH2采用如下方法制备：将FeCl3·6H2O、醋酸钠和柠檬酸钠加入到乙二醇中，搅拌至溶解，转入到反应釜中，加热到180-220℃并在该温度下保温10-14h；冷却到室温，清洗后加入水中，得到Fe3O4溶液；将 Fe3O4溶液加入乙醇水溶液中，超声分散；然后再加入氨水，在30℃水浴中搅拌；加入正硅酸乙酯，继续搅拌；最后加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷，搅拌反应3-5h，得到Fe3O4@ NH2。
3.根据权利要求2所述在土壤中固定水稻中铅的方法，其特征在于加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷反应结束后，使用无水乙醇与超纯水交替清洗，然后真空冷冻干燥。
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