CN111088050A

CN111088050A - 一种矿物-有机复合土壤调理剂及其制备方法

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Publication number: CN111088050A
Application number: CN201911302513.7A
Authority: CN
Inventors: 薛忠财; 柳洁; 刘海宽; 王晓远
Original assignee: Hebei Normal University for Nationalities
Current assignee: Hebei Normal University for Nationalities
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-05-01

Abstract

一种土壤调理剂及其制备方法，所述土壤调理剂包括生物炭粉40％‑80％，沸石粉0‑30％、石灰粉0‑30％、蒙脱石粉10％‑20％。

Description

一种矿物-有机复合土壤调理剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及农业、环保领域，具体涉及一种以矿物质和废弃生物质为原料生产土壤调理剂的方法，本产品可以改善土壤环境，提高有机质含量，有效降低土壤中镉、铅等重金属的有效态含量，促进作物生长，保证粮食安全。

背景技术

近年来，由于工业三废的排放、化肥农药长期不合理施用等，导致我国耕地退化严重，土壤板结、镉、铅等重金属污染、次生盐渍化等问题日益突出，严重影响农业的可持续发展，威胁粮食安全。重金属污染由于污染成因复杂、治理困难、危害较大，并且常常与其他退化问题复合发生，相关的治理和修复技术一直是研究的热点和环境治理的难点。

钝化修复技术以其效果快速、成本低廉、操作简单、不影响农作物生产等优点获得了广泛关注和应用，常用的钝化剂有黏土矿物、有机物料、碱性物质、人工合成材料等。虽然当前已经开展了很多有关钝化修复的研究，但现有钝化剂在实际应用中仍存在许多不足，主要表现为钝化效果的不稳定、材料生产成本较高、容易造成二次污染等。因此，亟需开发一种稳定持久、高效复合、安全低廉的钝化剂。

此外，我国作为农业大国，农作物秸秆资源种类丰富，产量巨大，全国每年秸秆产量约8亿吨，但秸秆利用还停留在“粗放型”阶段，综合利用率低，每年仍有大量秸秆得不到有效利用，随意丢弃和露天焚烧现象严重，导致资源浪费、地力损伤和环境污染等问题突出。因此，将秸秆转化为生物炭还田，一方面可以实现秸秆的无害化、减量化、资源化利用，另一方面可以显著改善土壤理化性质、提高土壤肥力和微生物活性。然而生物炭的生产工艺复杂、生产成本较高、施用不方便等问题，导致市场上缺乏生物质炭基产品。

CN 109575925 A公布了一种多功能土壤镉金属钝化剂的制备方法与应用，将麦饭石、氢氧化钠、碳酸钠按1∶(0.1-0.15)∶(0.3-0.35)的质量比混合，在700℃-750℃条件下热处理1-1.5h，冷却研磨后与水按1∶50混合，盐酸调pH至7-8，，70℃-80℃烘干研磨，制得多功能硅酸盐重金属钝化剂。产品可代替硅肥和钝化剂施入污染土壤，钝化重金属的同时促进作物增产。该方法以生产土壤镉金属钝化剂为目的，钝化目标和效果单一，对其他重金属作用不明显，且工艺流程相对复杂，对仪器设备要求较高，投入成本较高。

CN 108929697 A公布了一种优化的用于重金属污染农田土壤修复的钝化剂制备方法及应用，该方法将生物炭、草木灰和海泡石粉按一定质量比混合，制得的钝化剂在降低土壤重金属有效态含量同时，提高土壤肥力，且原位修复不影响耕种和农业生产。但是，该方法海泡石粉价格较高，生产成本大大增加。

专CN 105694902 B公布了一种用于重金属污染土壤的钝化剂及其制备方法和应用，将沸石加入碱性溶液，洗涤、干燥、粉碎后得到改性沸石，将壳聚糖溶于乙酸溶液，加入改性剂亚磷酸和甲醛溶液，搅拌反应后冷却、沉淀、干燥，得到改性壳聚糖，将改性沸石加入改性壳聚糖的乙酸溶液，搅拌冷却后得到重金属钝化剂。所发明钝化剂吸附性能好，尤其适合污染农田的重金属处理。该方法以生产土壤重金属钝化剂为目的，虽然能够起到钝化重金属的作用，但制备过程使用的物料甲醛等，对环境影响较大，对仪器设备要求较高，投入成本较高。

综上，为了我国农业可持续发展，需要有效且经济地解决退化土壤的治理和修复问题，高效合理的利用废弃生物质资源。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，以废弃玉米秸秆为原料，采用热解技术制成生物炭，并按照不同质量比例与矿物材料复配生产土壤调理剂，一方面有效降低土壤铅、镉等重金属有效态含量，改良土壤，提升土壤肥力，另一方面可实现秸秆的综合利用，带来显著的经济、社会和环境效益。

本发明的第一方面公开了一种土壤调理剂，其包括生物炭粉40％-80重量％，沸石粉0-30％、石灰粉0-30％、蒙脱石粉10％-20％。

在一个实施方案中，所述生物炭粉由水稻、玉米等作物收获后的秸秆制成。

在一个优选实施方案中，所述土壤调理剂的粒径为2-3mm。

本发明的第二方面公开了一种以废弃秸秆和矿物为原料生产土壤调理剂的方法，包括如下步骤：

(1)将废弃秸秆制成生物炭粉；

(2)将矿物质材料制成矿物质粉，所述矿物质材料为沸石、石灰和蒙脱石；

(3)将步骤(2)制得的矿物质粉与步骤(1)制得的生物炭粉进行混匀、造粒；

所得土壤调理剂中各成分的比例为：生物炭粉40％-80重量％，沸石0-30％、石灰0-30％、蒙脱石10％-20％，且其中沸石和石灰的含量不同时为0。

在一个实施方案中，所述废弃秸秆选自水稻、玉米等作物收获后的秸秆。

在一个实施方案中，上述步骤(1)按照如下进行：将废弃秸秆风干，粉碎成长度5-20cm、宽度0.5-5cm的小块，放入热解炉中进行热解，升温速率为10-20℃/min，热解温度为500-600℃，热解时间为40-60min，将产生的生物炭粉碎过筛(100目)后制成生物炭粉。

在一个实施方案中，上述步骤(2)按照如下进行：将沸石、石灰和蒙脱石粉碎、过筛(100目)后得到矿物质粉。

在一个实施方案中，上述步骤(3)按照如下进行：将矿物质粉与生物炭粉投入到搅拌罐中进行混匀，造粒，得到土壤调理剂。

在一个优选实施方案中，由上述方法得到的土壤调理剂的粒径为2-3mm。

本发明的第三方面公开了一种改良土壤的方法，包括：

在需要改良的土壤中加入根据本发明第一方面所述的土壤调理剂。

本发明针以废弃秸秆为原料，采用热解技术制成生物炭，并按照不同质量比例与矿物材料复配生产土壤调理剂，所生产的土壤调理剂，一方面可以实现秸秆的资源化、无害化利用，另一方面可以有效降低镉铅等重金属的有效态含量，同时提供充足的碳源、氮源以及多种微量元素，增强土壤肥力，改善土壤板结等情况，提高作物产量。本方法操作简单，配方可调，成本低廉，无二次污染问题，可以带来显著的经济效益

附图说明

图1是以废弃玉米秸秆和矿物质为原料生产土壤调理剂的工艺流程简图。

具体实施方式

实施例

实施例1

以玉米秸秆为生物质原料，将秸秆切成长度5-20cm、宽度0.5-5cm的小块，放入热解炉中进行热解，升温速率为10-20℃/min，热解温度为500-600℃，热解时间为40-60min，将产生的生物炭粉碎过筛(100目)后制成生物炭粉样品。对玉米秸秆及产生玉米秸秆炭进行工业分析(见表1)，可以看到，热解后的玉米秸秆水分含量降低，灰分增多，挥发分明显减少，固定碳含量大幅增加。

表1玉米秸秆及产生的玉米秸秆炭工业分析

实施例2

以生物炭、石灰、沸石、蒙脱石为原料，粉碎过筛后按照不同质量比组合混合均匀，复配成4种不同的土壤调理剂，如表2所示，分别以A、B、C、D代表。选取某污染农田表层土壤(土壤pH值为5.71，有效态镉含量为0.92mg/kg，有效态铅含量为29.1mg/kg)，于室内阴凉处自然风干，剔除杂物，捣碎研磨后过100目筛。准确称取50g土壤置于烧杯中，分别将不同配方的调理剂，按照一定添加比例(0.5％，1％，3％，5％)与土壤充分混匀，每个处理重复3次，以空白为对照，加入一定量的去离子水，使土壤含水量达到田间最大持水量的60％，于室内(20℃以上)通风培养，30天后进行分析测定。培养期间定期补水，使土壤水分维持在田间持水量的60％，试验用水为超纯水。结果显示，施加不同调理剂后，土壤pH有不同程度增加，且随着添加量的增加，变化越明显(表3)，不同调理剂均可对土壤中有效态铅和镉的含量造成影响(表4和表5)，但是不同配方生产的调剂剂其影响效果并不一致，随着添加量的增加显著下降，因此，需要综合考虑土壤性质、污染程度以及修复成本等要求，选择适合的调理剂配方。

表2调理剂不同质量比组成

表3不同调理剂添加条件下土壤pH变化

表4不同调理剂添加条件下有效态镉含量及变化率

表5不同调理剂添加条件下有效态铅含量及变化率

实施例3

选择按照40％生物炭、30％沸石、10％蒙脱石、20％石灰配方制备的土壤调理剂进行重金属含量的检测，结果如表6所示，所含重金属含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)(5.5＜pH≤6.5)中筛选值，可以用于土壤修复和改良。

表6土壤调理剂中重金属含量(mg/kg)

实施例4

根据实施例2的结果，选择调理剂B配方作为田间试验的材料，对其治理效果进行验证，在某矿区周边的重金属污染耕地上，土壤理化性质见表7，镉、铅等重金属含量超标，有效态铅含量达到38.5mg/kg，有效态镉含量达到0.58mg/kg，调理剂施加量按照表层土壤(深度20cm、密度1.3t/m³)0.5％的比例，小区面积20m²，以空白处理为对照，每个处理重复3次，共计6个小区。在耕地前采用人工施撒方法将调理剂均匀施入小区，然后翻耕混匀(深度20cm)并平整土地，种植作物为谷子(东谷1号)，行距为0.3m，株距0.15m，期间正常田间管理，待收获后测定籽粒产量、籽粒中的铅镉含量，测定土壤中有效态铅和镉含量，结果如表8所示，结果显示，通过施加土壤调理剂，土壤中有效态铅和镉的含量与对照相比分别降低55.06％和15.51％，籽粒中铅和镉的含量与对照相比也明显降低。

表7土壤基本理化性质

表8土壤中有效态铅和镉的含量以及谷子籽粒产量和籽粒中铅和镉的含量

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、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。

Claims

1.一种土壤调理剂，其包括生物炭粉40％-80重量％，沸石粉0-30％、石灰粉0-30％、蒙脱石粉10％-20％，且其中沸石和石灰的含量不同时为0。

2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其中所述生物炭粉由水稻、玉米等作物收获后的秸秆制成。

3.根据权利要求1或2所述的土壤调理剂，其粒径为2-3mm。

4.一种以废弃秸秆和矿物为原料生产土壤调理剂的方法，包括如下步骤：

(1)将废弃秸秆制成生物炭粉；

(3)将步骤(2)制得的矿物质粉与步骤(1)制得的生物炭粉进行混匀、造粒；所得土壤调理剂中各成分的比例为：生物炭粉40％-80重量％，沸石0-30％、石灰0-30％、蒙脱石10％-20％，且其中沸石和石灰的含量不同时为0。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述废弃秸秆选自水稻、玉米等作物收获后的秸秆。

6.如权利要求4所述的方法，其中步骤(1)按照如下进行：将废弃秸秆风干，粉碎成长度5-20cm、宽度0.5-5cm的小块，放入热解炉中进行热解，升温速率为10-20℃/min，热解温度为500-600℃，热解时间为40-60min，将产生的生物炭粉碎过筛(100目)后制成生物炭粉。

7.如权利要求4所述的方法，其中步骤(2)按照如下进行：将沸石、石灰和蒙脱石粉碎、过筛(100目)后得到矿物质粉。

8.如权利要求4所述的方法，其中步骤(3)按照如下进行：将矿物质粉与生物炭粉投入到搅拌罐中进行混匀，造粒，得到土壤调理剂。

9.如权利要求4-8任一项所述的方法，其中得到的土壤调理剂的粒径为2-3mm。

10.一种改良土壤的方法，包括：

在需要改良的土壤中加入根据权利要求1-3任一项所述的土壤调理剂。