CN111320988A - 一种土壤重金属钝化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土壤重金属钝化剂，涉及土壤修复技术领域，由如下对应重量份的物质组成：90～100份改性秸秆炭、8～12份生物腐殖酸、10～15份碳酸钙、5～8份白云石、3～6份钾长石。本发明提供了一种土壤重金属钝化剂，其所用成分简单，成本低廉，同时原料中充分利用了大量的秸秆资源，避免了秸秆的焚烧，保护了环境安全；本钝化剂能够显著提升对土壤中重金属的钝化效果，利于土壤土质的修复与改善。

Description

一种土壤重金属钝化剂
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种土壤重金属钝化剂。
背景技术
我国8个地区农田土壤中部分重金属含量统计分析表明，大部分地区重金属含量高于其土壤环境背景值。对全国24个省市，320个严重污染区，约548×104hm2的土地调查显示，农产品重金属超标是农产品污染物超标的主要问题。2006年，我国对农田保护区进行了抽测，重金属的超标率在抽测样品中高达12.1％。北京市(2005-2009年)连续5年的土壤样品分析结果表明，土壤出现了不同程度的Cd、Pb和Hg污染。在农业活动中，畜禽粪便经发酵生产有机肥，畜禽粪便中含有重金属，长期施用导致土壤重金属污染也越来越严重。在畜禽养殖过程中，含重金属Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb和Hg的添加剂被应用于饲料中调查显示，饲料中重金属含量较高会导致其对应的畜禽粪便中重金属含量也会较高。英国学者Nicholson等测定了部分地区畜禽饲料和其对应的动物粪便中重金属含量指出，猪在不同的生长阶段所食用的猪饲料中重金属Cu和Zn的含量有所差别，因此猪在不同生长阶段的粪便中的重金属含量也不相同，且猪粪中Cu和Zn的限制值比其它动物粪便的限制值高。农田土壤长期施用畜禽粪便，其土壤剖面中重金属的含量要高于未施用畜禽粪便的土壤对照，且Zn、Cu含量远超过对照组。重金属元素通过饲料添加-禽畜吸收-禽畜排泄-生产有机肥-施入土壤-作物吸收这种途径进入人类食物链进而影响人类健康，已逐渐引起社会重视。
重金属钝化剂主要包括物理钝化剂、化学钝化剂、生物钝化剂等。物理钝化剂利用吸附吸附能力大的硅酸盐物质，如活性炭、沸石等较丰富的孔径及比表面积，依据其本身的静电引力作用和较高的离子交换性能吸附固定重金属，重金属活性得到有效降低。物理吸附剂较容易获得，钝化重金属的机理较为简单，可操作性较强，目前已广泛应用。
但目前物理型重金属钝化剂都是针对堆肥或者土壤等一种介质中的重金属钝化，考虑到有机肥和土壤均存在重金属污染问题，筛选对堆肥和土壤重金属钝化均有作用的重金属钝化剂，对有效治理土壤污染问题能提供更有力的支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤重金属钝化剂，能够对土壤中的多种重金属起到良好的钝化效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
90～100份改性秸秆炭、8～12份生物腐殖酸、10～15份碳酸钙、5～8份白云石、3～6份钾长石。
优选的，由如下对应重量份的物质组成：
95份改性秸秆炭、10份生物腐殖酸、13份碳酸钙、7份白云石、5份钾长石。
进一步的，所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
进一步的，所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：
(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；
(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；
(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理35～45min后取出备用；
(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1～1.5h后取出，最后再经粉碎处理即可。
秸秆在进行碳化制成生物质炭时，常常因为碳化不完全及工艺的原因，导致制得的秸秆炭比表面积及吸附能力均较为普通，从而影响了其使用效果，本发明对秸秆炭的制备方法进行了特殊的改进处理，先对秸秆进行了切段、蒸汽爆破处理，充分松散了秸秆的组织结构，扩大了秸秆纤维间的间距，利于后续的处理及碳化，之后将秸秆浸入到改性处理液中，改性处理液中的蒙脱土、纳米二氧化钛、蛭石粉等成分渗入到秸秆纤维组织结构间，在后续的碳化处理时，上述成分便有效的插层固定在了生物炭层间，进而改善了生物炭的内部结构，更进一步的提升了生物炭的比表面积及吸附能力，同时纳米二氧化钛、蛭石粉等具有良好的表面活性，还能通过活性基团的作用来进一步钝化重金属离子，起到了物化增强钝化的效果，最终改善了整体的使用性能。
进一步的，步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为90～95℃。
进一步的，步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为102～106℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3～3.5Mpa，保温保压处理3～4min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
进一步的，步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：15～20份蒙脱土、8～10份纳米二氧化钛、2～4份蛭石粉、3～5份蔗糖、4～7份六偏磷酸钠、10～15份钛酸纸偶联剂、200～240份去离子水。
进一步的，步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为500～600kHz。
进一步的，步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为240～260℃。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供了一种土壤重金属钝化剂，其所用成分简单，成本低廉，同时原料中充分利用了大量的秸秆资源，避免了秸秆的焚烧，保护了环境安全；为了保证重金属的钝化效果，在传统吸附成分碳酸钙、白云石、钾长石的基础上，又添加了一种改性秸秆炭成分，此改性秸秆炭是以生物质秸秆为主材加工改性而成，经过改性制得的改性秸秆炭具有比表面积大、表面活性强，能够显著提升对土壤中重金属的钝化效果，利于土壤土质的修复与改善。
具体实施方式
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
90～100份改性秸秆炭、8～12份生物腐殖酸、10～15份碳酸钙、5～8份白云石、3～6份钾长石。所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理35～45min后取出备用；(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1～1.5h后取出，最后再经粉碎处理即可。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为90～95℃。
步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为102～106℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3～3.5Mpa，保温保压处理3～4min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：15～20份蒙脱土、8～10份纳米二氧化钛、2～4份蛭石粉、3～5份蔗糖、4～7份六偏磷酸钠、10～15份钛酸纸偶联剂、200～240份去离子水。
步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为500～600kHz。
步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为240～260℃。
实施例1
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
90份改性秸秆炭、8份生物腐殖酸、10份碳酸钙、5份白云石、3份钾长石。所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理35min后取出备用；(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1h后取出，最后再经粉碎处理即可。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为90℃。
步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为102℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3Mpa，保温保压处理3min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：15份蒙脱土、8份纳米二氧化钛、2份蛭石粉、3份蔗糖、4份六偏磷酸钠、10份钛酸纸偶联剂、200份去离子水。
步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为500kHz。
步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为240℃。
实施例2
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
95份改性秸秆炭、10份生物腐殖酸、13份碳酸钙、7份白云石、5份钾长石。所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理40min后取出备用；(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1.3h后取出，最后再经粉碎处理即可。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为92℃。
步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为104℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3.2Mpa，保温保压处理3.6min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：18份蒙脱土、9份纳米二氧化钛、3份蛭石粉、4份蔗糖、6份六偏磷酸钠、12份钛酸纸偶联剂、220份去离子水。
步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为550kHz。
步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为250℃。
实施例3
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
100份改性秸秆炭、12份生物腐殖酸、15份碳酸钙、8份白云石、6份钾长石。所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理45min后取出备用；(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1.5h后取出，最后再经粉碎处理即可。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为95℃。
步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为106℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3.5Mpa，保温保压处理4min后，再于30s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：20份蒙脱土、10份纳米二氧化钛、4份蛭石粉、5份蔗糖、7份六偏磷酸钠、15份钛酸纸偶联剂、240份去离子水。
步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为600kHz。
步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为260℃。
实施例4
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
90份改性秸秆炭、8份生物腐殖酸、10份碳酸钙、5份白云石、3份钾长石。所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；(3)将步骤(2)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1h后取出，最后再经粉碎处理即可。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为90℃。
步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为102℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3Mpa，保温保压处理3min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
步骤(3)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为240℃。
本实施例4与实施例1相比，区别仅在于省去了改性秸秆炭的制备方法中原步骤(3)的处理。
实施例5
一种土壤重金属钝化剂，由如下对应重量份的物质组成：
90份生物炭、8份生物腐殖酸、10份碳酸钙、5份白云石、3份钾长石。
所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
测试例
为了对比本发明效果，对上述实施例1～5对应制得的重金属钝化剂进行性能测试，具体试验方法为：
(一)土壤选取：
供试土壤采自上海市某工业园区复垦区域，采样深度为0～20cm表土层土壤，于室内去除岩石及生物残体，经自然风干后用四分法弃取，过100目筛备用；供试土壤的基本理化性质及各指标平均值为：pH值6.72，有机质含量16.8g/kg，全氮、速效磷、速效钾含量分别为1.7g/kg、6.6g/kg、33.1g/kg，土壤铜、锌、铅、镉、砷含量分别为402.5mg/kg、1621.2mg/kg、4761.4mg/kg、10.6mg/kg、1125.3mg/kg；
(二)土壤处理：
供试土壤采回后，于室内阴凉处自然风干，剔除杂物，捣碎研磨后过100目尼龙筛，漏匀保存待用，准确称取1kg土壤置于玻璃杯中(内径15cm、高20cm)，分别添加实施例1～5对应的几种钝化剂，并与土壤充分混匀。每种钝化剂与土壤的质量比为1:20，每个处理重复三次，并以不加钝化剂处理土壤为空白对照；加入钝化剂后，每个玻璃杯定期加入等量的去离子水混匀，于室内自然通风处进行熟化培养，90d后进行分析测定；期间纯化培养过程中，定期补水，使土壤水分含量保持为60％，所用的水为超纯水；
(三)测试方法：
土壤样品用4:1(V/V)王水-HClO4消化后，用原子吸收光谱仪(美国Varian,AA240FS)测定Pb、Zn、Cu、Cd含量；As含量测定采用氢化物发生－原子荧光光谱法(北京锐利仪器有限公司，AFS，AF-6102D)。
上述测试结果的具体数据对比如下表1所示：
表1
Figure BDA0002450857590000081
由上表1可以看出，本发明方法制得的重金属钝化剂能够对土壤中常见的多种重金属起到显著的钝化效果，从而有效的改善了土壤的土质，保护了环境，极具推广应用价值。

Claims (9)

1.一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，由如下对应重量份的物质组成：
90～100份改性秸秆炭、8～12份生物腐殖酸、10～15份碳酸钙、5～8份白云石、3～6份钾长石。
2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，由如下对应重量份的物质组成：
95份改性秸秆炭、10份生物腐殖酸、13份碳酸钙、7份白云石、5份钾长石。
3.根据权利要求1或2所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，所述的碳酸钙、白云石和钾长石的颗粒大小均为80目。
4.根据权利要求1或2所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，所述的改性秸秆炭的制备方法包括如下步骤：
(1)先将秸秆干燥至水含量不大于20％后，再进行切段处理，控制段长不大于5cm；
(2)将切段后的秸秆放入到蒸汽爆破装置内，然后对秸秆进行蒸汽爆破处理，完成后取出备用；
(3)将蒸汽爆破处理后的秸秆浸入到改性处理液中，超声处理35～45min后取出备用；
(4)将步骤(3)处理后的秸秆放入到碳化箱内进行高温碳化处理，1～1.5h后取出，最后再经粉碎处理即可。
5.根据权利要求4所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，步骤(1)中所述的干燥时控制干燥的温度为90～95℃。
6.根据权利要求4所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，步骤(2)中所述的蒸汽爆破处理具体是：先向蒸汽爆破装置内通入温度为102～106℃的高温水蒸气，然后将蒸汽爆破装置内的压力增至3～3.5Mpa，保温保压处理3～4min后，再于35s内将蒸汽爆破装置内卸至常温常压。
7.根据权利要求4所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，步骤(3)中所述的改性处理液是由如下对应重量份的物质组成：15～20份蒙脱土、8～10份纳米二氧化钛、2～4份蛭石粉、3～5份蔗糖、4～7份六偏磷酸钠、10～15份钛酸纸偶联剂、200～240份去离子水。
8.根据权利要求4所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，步骤(3)中所述的超声处理时控制超声波的频率为500～600kHz。
9.根据权利要求4所述的一种土壤重金属钝化剂，其特征在于，步骤(4)中所述的高温碳化处理时控制碳化箱内为氮气环境、温度为240～260℃。
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