CN111822498B - 一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法 - Google Patents

一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法。测定含金属硫化物矿山土壤的水溶性酸度、非水溶性酸度和潜在酸度,土壤总实际酸度为土壤水溶性酸度与土壤的非水溶性酸度之和;测定赤泥水提液的碱度和总碱度。本发明的治理方式具有更快的治理速度,更适宜草本植物的生长,且本专利在治理过程中添加了更多的赤泥,对赤泥这种固体废物起到更高效的利用效果。本发明改善的治理剂配方能够更有效的防止土壤反酸化,从而更利于植被的生长。

Description

一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤 的方法
技术领域:
本发明属于土壤治理领域,具体涉及一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法。
背景技术:
金属和煤碳开采时常引起土壤酸化。这主要是由于地层中金属硫化物特别是黄铁矿氧化所造成。这一过程可导致重金属向环境释放,破坏矿区及周围地区的生态系统,对人群健康造成危害。因此,控制矿山土壤酸化对减轻采矿活动对环境的负面影响极为重要。对含金属硫化物的矿山土壤施用酸中和剂,可提升土壤pH值,降低金属硫化矿物氧化细菌的活性,从而抑制金属硫化物氧化产酸。添加石灰是中和土壤酸性的常用方法。但是,由于石灰具有一定的水溶性,无法在土壤中长期驻留。因此,单独施用石灰无法达到长期控制金属硫化物氧化产酸的效果。
赤泥是生产氧化铝过程所产生的具腐蚀性废渣,呈强碱性反应(pH值通常大于11)。赤泥含有快速和缓速反应碱性组分。快速反应碱性组分包括氢氧化钠和四羟基合铝酸钠等。拜尔法赤泥的缓速反应碱性组分为非水溶性羟基氧化铝和氧化铁胶体。对于烧结法赤泥,除羟基氧化铝和氧化铁胶体外,其还含水溶性较低的缓速反应碱性组分如碳酸钙和铝酸钙。这些缓速反应碱性组分可驻留在土壤中,消耗不断氧化的金属硫化物所产生的氢离子(H+),使土壤保持中性至弱碱性状态。同时,它们也具有吸附重金属的能力,可阻止其向环境释放。因此,利用烧结法赤泥或拜尔法赤泥加粉末状石灰石可有效处理含金属硫化矿物土壤。
由于土壤条件恶劣,植物很难在酸性矿山土壤上生长。因此,酸性矿山土壤分布区通常水土流失严重。改良酸性土壤有利植被恢复,不但可有效控制水土流失,而且可通过土壤有机质累积和植物根系体系的构建而形成表土耗氧层,限制土壤孔隙中的氧气量,抑制金属硫化矿物氧化。矿山土壤通常比较贫瘠,缺乏植物生产所需的营养元素。因此,提高土壤肥力是治理酸性含金属硫化物矿山土壤的重要一环。针对不同酸性矿山土壤的特点,施用合适的肥料和选择适合在酸性矿山土壤上生长的植物品种,是亟待解决的问题。
发明内容:
本发明的目的是提供能够更快的治理,更有效的防止土壤反酸化,从而更利于植被的生长的利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法。
本发明的利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法,包括以下步骤:
原料:拜尔烧结联合法赤泥或拜耳法赤泥
测定含金属硫化物矿山土壤的水溶性酸度、非水溶性酸度和潜在酸度,土壤总实际酸度为土壤水溶性酸度与土壤的非水溶性酸度之和;
测定赤泥水提液的碱度和总碱度;
按重量份计,
I、每10份土壤所需的赤泥添加份数为:土壤总实际酸度/赤泥总碱度×10;
II、每10份土壤所需的额外石灰石添加份数:土壤潜在酸度/石灰石总碱度×5;
当使用拜尔烧结联合法赤泥时,每10份土壤中添加I的赤泥添加份数
当使用拜耳法赤泥时,每10份土壤中添加I的赤泥添加份数+II的石灰石添加份数。
优选,还添加有城市污泥和/或沸石。
进一步优选,每10重量份土壤中添加1重量份城市污泥和0.5重量份铵饱和沸石。
所述的测定土壤的水溶性酸度的方法是:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后取25毫升上清液,用浓度为0.01摩尔/升的氢氧化钠溶液进行滴定至终点pH 5.5,根据所消耗氢氧化钠溶液的量计算土壤的水溶性酸度;
计算公式如下:
土壤水溶性酸度(摩尔/公斤)=0.01(摩尔/升)×V(升)/5(克)×1000=2V
上式中V为滴定25毫升水提液所消耗氢氧化钠溶液的体积。
所述的土壤的非水溶性酸度的:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后去除上清液剩土壤残渣,加15毫升无离子水到离心管中,把淀积的土壤残渣搅成悬液并全部吸入滴定杯,用浓度为0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液在自动滴定仪上进行滴定至终点pH5.5,根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得;
计算公式如下:
土壤的非水溶性酸度(摩尔/公斤)=0.05(摩尔/升)×V(升)/10(克)×1000=5V
上式中V为滴定10克土壤残渣所消耗氢氧化钠溶液的体积。
所述的测定土壤的潜在酸度:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后去除上清液剩土壤残渣,加15毫升无离子水到离心管中,把淀积的土壤残渣搅成悬液并全部吸入滴定杯,用浓度为0.05摩尔/升的经标化氢氧化钠溶液在自动滴定仪上进行滴定至终点pH 5.5,然后通过过滤分离出土壤残渣,然后将土壤残渣置于250毫升三角瓶,加入15毫升30%过氧化氢,待无气泡反应停止后,再每次补加5毫升30%过氧化氢直至无气泡生成,将溶液定容至150毫升,取25毫升上清夜,用0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液进行滴定,根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得;
计算公式如下:
土壤的潜在酸度(摩尔/公斤)=0.05(摩尔/升)×V(升)/1.67(克)×1000=83.5V
上式中V为滴定25毫升提取液所消耗氢氧化钠溶液的体积。
所述的测定赤泥的水提液碱度的方法是:
取10克烘干赤泥于100毫升带盖塑料瓶中,加50毫升无离子水,在振荡仪上振荡1小时,取25ml提取液,用0.05M的HCl溶液在自动滴定仪上对25毫升提取液进行连续滴定至终点pH=7,根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的水提液碱度:
赤泥水提液碱度(毫摩尔/公斤)=2v x 0.05x 100=10v
上式中v为滴定赤泥水提液所消耗的HCl溶液毫升数。
所述的测定赤泥总碱度的方法:
取10克烘干赤泥,加20毫升0.05M的盐酸溶液,再用0.05M的HCl溶液在自动滴定仪上对赤泥悬液连续滴定至终点pH=7,根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的总碱度:
赤泥总碱度(毫摩尔/公斤)=(v+20)x 0.05x 100=(v+20)x 5
上式中v为滴定赤泥悬液所消耗的HCl溶液毫升数。
本发明的治理方式具有更快的治理速度,更适宜草本植物的生长,且本专利在治理过程中添加了更多的赤泥,对赤泥这种固体废物起到更高效的利用效果。本发明改善的治理剂配方能够更有效的防止土壤反酸化,从而更利于植被的生长。
具体实施方式:
下面结合具体实施例进一步阐释本发明。应理解,这些实例仅以用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1:
土壤取自华南某矿山,现场观察可见呈半风化状态的黄铁矿及黄钾铁矾,几乎没有植物生长,水土流失严重,野外测试显示土壤pH为2.56,判断为强酸性含金属硫化矿物土壤。
1、测定土壤水溶性酸度方法:
称10克烘干土壤于100毫升容量的塑料瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后取25毫升上清液,用浓度为0.01摩尔/升的经标化氢氧化钠溶液进行滴定至终点(pH 5.5),根据所消耗氢氧化钠溶液的量计算土壤水溶性酸度。
计算公式如下:
土壤水溶性酸度(摩尔/公斤)=0.01(摩尔/升)x V(升)/5(克)x 1000=2V
上式中V为滴定25毫升水提液所消耗氢氧化钠溶液的体积。
2、测定土壤的非水溶性酸度:
将上述步骤1提取水溶性酸后的离心管中剩余的溶液倒干,加15毫升无离子水到离心管中,用玻璃棒把淀积的土壤残渣搅成悬液并全部吸入滴定杯,用浓度为0.05摩尔/升的经标化氢氧化钠溶液在自动滴定仪上进行滴定至终点(pH 5.5),根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得。
计算公式如下:
土壤的非水溶性酸度(摩尔/公斤)=0.05(摩尔/升)x V(升)/10(克)x 1000=5V
上式中V为滴定10克土壤残渣所消耗氢氧化钠溶液的体积。
3、土壤水溶性酸度与土壤的非水溶性酸度之和为土壤总实际酸度。
4、测定土壤的潜在酸度:
对测定土壤非水溶性酸度后的土壤残渣用过氧化氢进行人为氧化。具体步骤如下:用过滤方法将上述步骤2中的土壤残渣与溶液分离,然后将土壤置于250毫升三角瓶,加入15毫升30%过氧化氢,待反应停止后(无气泡),再每次补加5毫升30%过氧化氢直至无气泡生成。当确认氧化过程完成后,将溶液定容至150毫升。取25毫升上清夜,用0.05摩尔/升的经标化氢氧化钠溶液进行滴定,根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得。
计算公式如下:
土壤的潜在酸度(摩尔/公斤)=0.05(摩尔/升)x V(升)/1.67(克)x 1000=83.5V
上式中V为滴定25毫升提取液所消耗氢氧化钠溶液的体积。
实验室分析显示土壤水溶性酸度、非水溶性酸度和潜在酸度分别为0.096摩尔/公斤、0.355摩尔/公斤和0.567摩尔/公斤;碱解氮、速效磷和速效钾分别为0.05克/公斤、0.06克/公斤和0.06克/公斤;全氮、全磷和全钾分别为0.26克/公斤、0.47克/公斤和1.06克/公斤;土壤有机质含量0.56%。
5、测定赤泥水提液碱度的方法:取约10克烘干赤泥(精确到0.01克)于100毫升带盖塑料瓶中,加50毫升无离子水,在振荡仪上振荡1小时,取25ml提取液,用0.05M经标化的HCl溶液在自动滴定仪上对25毫升提取液进行连续滴定至终点(pH=7)。根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的水提液碱度:
赤泥水提液碱度(毫摩尔/公斤)=2v x 0.05x 100=10v
上式中v为滴定赤泥水提液所消耗的HCl溶液毫升数。
6、测定赤泥总碱度的方法:取约10克烘干赤泥(精确到0.01克),加20毫升0.05M经标化的盐酸(HCl)溶液,再用0.05M经标化的HCl溶液在自动滴定仪上对赤泥悬液连续滴定至终点(pH=7)。根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的总碱度:
赤泥总碱度(毫摩尔/公斤)=(v+20)x 0.05x 100=(v+20)x 5
上式中v为滴定赤泥悬液所消耗的HCl溶液毫升数。
7、赤泥缓速释放碱度为赤泥总碱度与赤泥水提液碱度之差,用如下公式计算:
赤泥缓速释放碱度(毫摩尔/公斤)=赤泥总碱度-赤泥水提液碱度
选用拜尔法赤泥作为主要处理材料,按照上述5、6、7的方法测定赤泥水提液碱度、总碱度和缓速释放碱度。
所消耗0.05MHCl体积(毫升) 碱度(毫摩尔/公斤)
拜尔法赤泥水提液碱度 56.6 566
拜尔法赤泥总碱度 1118 5690
由此得到该拜尔法赤泥的总碱度为5690毫摩尔/公斤或5.69摩尔/公斤,其中水提液碱度为566毫摩尔/公斤或0.566摩尔/公斤,缓速释放碱度为5124毫摩尔/公斤或5.124摩尔/公斤。
8.根据土壤总实际酸度和赤泥总碱度,确定每10份酸性土壤所需的赤泥添加份数(重量比)。可用如下公式计算:
赤泥(份)=矿山土壤总实际酸度(毫摩尔/公斤)/赤泥总碱度(毫摩尔/公斤)x 10
451(毫摩尔/公斤)/5690(毫摩尔/公斤)x 10=0.79份
9.若所用赤泥为纯拜尔法赤泥,改为用粉末状石灰石对抗土壤潜在酸度。确定每10份土壤所需的额外石灰石添加份数(重量比)可用如下公式计算:
石灰石(份)=矿山土壤潜在酸度(毫摩尔/公斤)/石灰石总碱度(毫摩尔/公斤)x5
567(毫摩尔/公斤)/9776(毫摩尔/公斤)x 5=0.29份
由此确定土壤与酸中和改良剂的最佳理论配比为(重量份):土壤10份,纯拜尔法赤泥0.79份和粉末状石灰石0.29份。
由于土壤有机质和营养元素特别是氮素含量极低,故添加城市污泥1重量份和铵饱和沸石0.5重量份(下简称为肥料)。
选用耐酸及具良好水土保持功能的香根草作为先锋植物品种。
设置一个对照和三个处理:
(1)对照:只加肥料但不加纯拜尔法赤泥和石灰石;
(2)处理1:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,纯拜尔法赤泥0.63份和粉末状石灰石0.29份,外加肥料;
(3)处理2:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,纯拜尔法赤泥0.79份和粉末状石灰石0.29份,外加肥料;
(4)处理3:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,纯拜尔法赤泥0.96份和粉末状石灰石0.29份,外加肥料。
一年温室盆栽试验结果显示,只加肥料但不加赤泥和石灰石无法支持香根草生长。处理1、处理2和处理3的pH分别6.71,7.06和7.19,香根草生长良好。说明添加剂有效地中和了土壤酸性并防止金属硫化矿物氧化产酸。
实施例2
该土壤取自与实施例1同一矿山,现场观察可见少量呈半风化状态的黄铁矿,有一些植物生长,野外测试显示土壤pH为3.06,判断其属普通酸性含金属硫化矿物土壤。
参照实施例1,实验室分析显示土壤水溶性酸度、非水溶性酸度和潜在酸度分别为0.017摩尔/公斤、0.163摩尔/公斤和0.257摩尔/公斤;碱解氮、速效磷和速效钾分别为0.11克/公斤、0.15克/公斤和0.07克/公斤;全氮、全磷和全钾分别为0.96克/公斤、1.06克/公斤和1.55克/公斤;土壤有机质含量1.36%。
选用拜尔烧结联合法赤泥作为主要处理材料。该赤泥的总碱度为9.676摩尔/公斤,其中水提液碱度为1.769摩尔/公斤,缓速释放碱度为7.907摩尔/公斤。
根据土壤总实际酸度和赤泥总碱度,确定每10份酸性土壤所需的赤泥添加份数(重量比)。可用如下公式计算:
赤泥(份)=矿山土壤总实际酸度(毫摩尔/公斤)/赤泥总碱度(毫摩尔/公斤)x 10
0.017+0.163(摩尔/公斤)/9.6760(摩尔/公斤)x 10=0.186份
由此确定土壤与酸中和改良剂的最佳理论配比为(重量份):土壤10份对赤泥0.19份。因拜尔烧结联合法赤泥含碳酸钙,故无需加粉末状石灰石。
添加城市污泥1份。
选用具固氮能力的柱花草。
设置一个对照和三个处理:
(1)对照:只加城市污泥但不加赤泥;
(2)处理1:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,赤泥0.15份,外加肥料;
(3)处理2:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,赤泥0.19份,外加肥料;
(4)处理3:土壤与酸中和改良剂的配比为(重量份):土壤10份,赤泥0.23份,外加肥料。
一年温室盆栽试验结果显示,处理1、处理2和处理3的pH分别6.35,6.96和7.07,植物生长良好。表明添加剂有效地中和了土壤酸性并防止金属硫化矿物氧化产酸。
试验结果同时显示土壤全氮含量均较原矿山土壤显著提高,表明栽种柱花草有效地促进土壤自肥。
对比实验
与专利《一种复合土壤改良剂及其应用》专利号(200910214342.2)进行对比实验,该专利为本专利发明人早年研发的技术。
本专利实验土壤取自与实施例1同一矿山,赤泥取自与实施例1相同的纯拜耳法赤泥,配比为(重量份):土壤10份,赤泥0.79份、粉末状石灰石0.29份进行土壤酸性改良,同时加入城市污泥1份和铵饱和沸石0.5份提升土壤肥力。
对比实验土壤取自与实施例1同一矿山,赤泥取自与实施例1相同的纯拜耳法赤泥,配比为:土壤10份,赤泥0.12份、熟石灰0.012份进行土壤酸性改良,外加入城市污泥0.07份和铵饱和沸石0.03份提升土壤肥力。
本专利实验及对比实验使用治理剂治理完后,在土壤表层种植了香根草,两个月温室盆栽实验结果如下所示:
本专利方法 专利《一种复合土壤改良剂及其应用》的方法
土壤pH 6.78 6.04
香根草生物量 40.3g 30.1g
对比结果表明,本发明的治理方式具有更好的治理效果,更适宜草本植物的生长,且本专利在治理过程中添加了更多的赤泥,对赤泥这种固体废物起到更高效的利用效果。此外本专利中使用的治理剂量较对比实验较大,但我们也尝试将对比实验所属的治理剂使用剂量调整至于本专利相同,所得到的香根草生物量依然不如本专利方法培育出的香根草,这是因为本专利改善的治理剂配方能够更有效的防止土壤反酸化,从而更利于植被的生长。

Claims (4)

1. 一种利用赤泥作为主要材料治理酸性含金属硫化物矿山土壤的方法,其特征在于,包括以下步骤:
原料:拜尔烧结联合法赤泥或拜耳法赤泥
测定含金属硫化物矿山土壤的水溶性酸度、非水溶性酸度和潜在酸度,土壤总实际酸度为土壤水溶性酸度与土壤的非水溶性酸度之和;
测定赤泥水提液的碱度和总碱度;
按重量份计,
I、每10份土壤所需的赤泥添加份数为:土壤总实际酸度/赤泥总碱度×10;
II、每10份土壤所需的额外石灰石添加份数:土壤潜在酸度/石灰石总碱度×5;
当使用拜尔烧结联合法赤泥时,每10份土壤中添加I的赤泥添加份数
当使用拜耳法赤泥时,每10份土壤中添加I的赤泥添加份数+II的石灰石添加份数
还添加有城市污泥和/或沸石,每10重量份土壤中添加1重量份城市污泥和0.5重量份铵饱和沸石;
所述的测定土壤的非水溶性酸度的方法是:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后去除上清液剩土壤残渣,加15毫升无离子水到离心管中,把淀积的土壤残渣搅成悬液并全部吸入滴定杯,用浓度为0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液在自动滴定仪上进行滴定至终点pH 5.5,根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得;
计算公式如下:
土壤的非水溶性酸度= 0.05摩尔/升× V / 10克× 1000 = 5V,单位为摩尔/公斤;
上式中V为滴定10克土壤残渣所消耗氢氧化钠溶液的体积,单位为升;
所述的测定土壤的潜在酸度的方法是:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后去除上清液剩土壤残渣,加15毫升无离子水到离心管中,把淀积的土壤残渣搅成悬液并全部吸入滴定杯,用浓度为0.05摩尔/升的经标化氢氧化钠溶液在自动滴定仪上进行滴定至终点pH5.5,然后通过过滤分离出土壤残渣,然后将土壤残渣置于250毫升三角瓶,加入15毫升30%过氧化氢,待无气泡反应停止后,再每次补加5毫升30%过氧化氢直至无气泡生成,将溶液定容至150毫升,取25 毫升上清夜,用0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液进行滴定,根据所消耗氢氧化钠的量进行计算而得;
计算公式如下:
土壤的潜在酸度= 0.05摩尔/升×V/ 1.67克×1000 =83.5V,单位为摩尔/公斤;
上式中V为滴定25毫升提取液所消耗氢氧化钠溶液的体积,单位为升。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的测定土壤的水溶性酸度的方法是:
称10克烘干土壤于瓶中,加50毫升无离子水,在振荡器上振荡1小时,经离心后取25毫升上清液,用浓度为0.01摩尔/升的氢氧化钠溶液进行滴定至终点pH 5.5,根据所消耗氢氧化钠溶液的量计算土壤的水溶性酸度;
计算公式如下:
土壤水溶性酸度= 0.01摩尔/升× V/ 5克× 1000 = 2V,单位为摩尔/公斤
上式中V为滴定25毫升水提液所消耗氢氧化钠溶液的体积,单位为升。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的测定赤泥的水提液碱度的方法是:
取10克烘干赤泥于100毫升带盖塑料瓶中,加50毫升无离子水,在振荡仪上振荡1小时,取25ml提取液,用0.05 M的HCl溶液在自动滴定仪上对25毫升提取液进行连续滴定至终点pH=7,根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的水提液碱度:
赤泥水提液碱度= 2v x 0.05 x 100 = 10v,单位是毫摩尔/公斤
上式中v为滴定赤泥水提液所消耗的HCl溶液毫升数。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的测定赤泥总碱度的方法是:
取10克烘干赤泥,加20毫升0.05 M的盐酸溶液,再用0.05 M的HCl溶液在自动滴定仪上对赤泥悬液连续滴定至终点pH=7,根据所消耗的HCl溶液体积,用如下公式求得赤泥的总碱度:
赤泥总碱度=(v + 20)x 0.05 x 100 =(v + 20)x 5,单位为毫摩尔/公斤
上式中v为滴定赤泥悬液所消耗的HCl溶液毫升数。
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