CN112343006B - 一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料及其制备方法和应用，属于环境保护技术领域。该方法包括步骤：首先将植物秸秆晒干后粉碎成3～5cm粒径；然后将粉碎的秸秆置于高温裂解炉中于400℃～600℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；然后将生物炭、河道泥沙、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物；其次，将混合物装入模具中成型后静置1～2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，再将半成品放入反应釜中于80℃～200℃下水热反应10～48h即可得到生物炭基护岸材料成品。该护岸材料在用于构建生态护坡时不仅能减少边坡水土流失且可为植物微生物提供繁殖的场所，并可削减雨水径流中的污染物。

Description

一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护 岸材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料及其制备方法和应用，属于环境保护技术领域。
背景技术
河道天然边滩具有截留雨水径流中污染物的功能，但天然边滩在雨水冲刷时极易导致水土流失。目前，城市河道护岸建设通常采用硬质化驳岸。硬质化驳岸虽然有利于增强河道边坡稳定性，但阻断了水域、陆域物质能量交换，增大了非点源污染进入河流的风险，弱化了河道边滩生态系统自净功能。此外，硬质化驳岸阻碍了营养物质的循环，造成城市河道水质恶化，黑臭化现象严重。因此，急需开发一种新型护岸材料来替代以往的硬质化驳岸，以满足河道水质净化及岸坡防护的需要。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料及其制备方法和应用，本发明方法将河道废弃岸坡植物高温裂解制备的生物炭与河道中的泥沙混合并采用低温水热法制备成具有水文相通、生物相容结构的多孔生物炭基护岸材料，该生物炭基护岸材料在用于构建生态护坡时，不仅具有减少边坡水土流失的护岸效果，而且可为植物和微生物等提供繁殖场所，并对降雨径流和河水中的污染物具有净化能力，可以大大削减污染物浓度。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将废弃的植物秸秆晒干后粉碎成粒径在3～5cm的生物质材料；然后将生物质材料置于高温裂解炉中，于400℃～600℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；
(2)将步骤(1)中得到的生物炭、河道泥沙、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具中，成型后静置1～2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，然后将半成品放入反应釜中于80℃～200℃下水热反应10～48h，反应结束后即可得到生物炭基护岸材料成品。
优选地，混合物中各成分的质量百分数分别为：生物炭3％～8％，河道泥沙90％～95％，氢氧化钙1％～2％。
优选地，步骤(3)中所述的水热反应在釜压为1.0～1.3bar，湿度大于80％的反应釜中进行。
优选地，步骤(3)中成型后的生物炭基护岸材料具有水文相通、生物相容结构。
采用上述制备方法制备的生物炭基护岸材料。
上述生物炭基护岸材料在构建生态护坡上的应用。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
本发明将河道废弃岸坡植物高温裂解制备的生物炭与河道中的泥沙混合并采用低温水热法制备成具有水文相通、生物相容结构的具有污染净化功能的多孔生物炭基护岸材料，该生物炭基护岸材料在用于构建生态护坡时，不仅具有减少边坡水土流失的护岸效果，而且对降雨径流和河水中的污染物具有净化能力，可以大大削减污染物浓度，同时其还具备种植植物、养育微生物的功能，这不仅能提高生态护坡的景观效果也能进一步降解污染物。此外，该生物炭基护岸材料所使用的生物炭来源于废弃的河道岸坡植物，可以解决岸坡植物凋落造成的二次污染问题。
附图说明
图1是本发明所制备的A型生物炭基护岸材料的结构示意图；
图2是本发明所制备的B型生物炭基护岸材料的结构示意图；
图3是本发明所制备的C型生物炭基护岸材料的结构示意图；
图4是实验室中所构建的BCZ组和CK组的结构示意图；
图5是采用本发明生物炭基护岸材料构建生态护坡的河岸的结构示意图；
图6是未采用生物炭基护岸材料构建生态护坡的河岸经冲刷侵蚀后的图像；
图7是采用本发明生物炭基护岸材料构建生态护坡的河岸经冲刷侵蚀后的图像；
附图标记：
001.透水通孔、002.植物种植槽、01.配水区、02.边坡土壤区、03.水样收集区、04.水箱、1.A型护岸材料、2.B型护岸材料、3.C型护岸材料、4.水生植物、5.河道常水位、6.土工布、7.为护岸生态挡墙基础、8.旱生植物
具体实施方式
下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
(1)将废弃的芦苇秸秆晒干后粉碎成粒径在5cm的生物质材料；然后将生物质材料置于高温裂解炉中，于500℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；
(2)将步骤(1)中得到的生物炭、河道泥沙(取自长江口地区某一河道，下同)、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物，混合物中各成分的质量百分数分别为：生物炭5％，河道泥沙93％，氢氧化钙2％；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具中，成型后静置2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，然后将半成品放入反应釜中，控制反应釜釜压为1.1bar左右，湿度大于80％，于140℃下水热反应24h，反应结束后即可得到生物炭基护岸材料成品。
实施例2
(1)将废弃的护花米草秸秆晒干后粉碎成粒径在5cm的生物质材料；然后将生物质材料置于高温裂解炉中，于500℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；
(2)将步骤(1)中得到的生物炭、河道泥沙、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物，混合物中各成分的质量百分数分别为：生物炭3％，河道泥沙95％，氢氧化钙2％；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具中，成型后静置2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，然后将半成品放入反应釜中，控制反应釜釜压为1.1bar左右，湿度大于80％，于80℃下水热反应48h，反应结束后即可得到生物炭基护岸材料成品。
实施例3
(1)将废弃的芦苇秸秆晒干后粉碎成粒径在5cm的生物质材料；然后将生物质材料置于高温裂解炉中，于500℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；
(2)将步骤(1)中得到的生物炭、河道泥沙、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物，混合物中各成分的质量百分数分别为：生物炭8％，河道泥沙91％，氢氧化钙1％；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具中，成型后静置2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，然后将半成品放入反应釜中，控制反应釜釜压为1.1bar左右，湿度大于80％，于200℃下水热反应10h，反应结束后即可得到生物炭基护岸材料成品。
在上述实施例1～3中，通过设计步骤(3)中所使用的模具的结构，制备出的生物炭基护岸材料成品均具有水文相通、生物相容结构，即均具有起透水作用的透水通孔001和用于种植植物的植物种植槽002。图1、图2和图3为三种(分别命名为A型、B型、C型)均具有水文相通、生物相容结构的生物炭基护岸材料。
实验室试验：
将各实施例所制得的护岸材料覆盖在边坡土壤区上形成生态护坡(BCZ组)，未覆盖护岸材料的边坡土壤区作为对照组(CK组)，如图4所示，01为配水区，02为边坡土壤区，03为水样收集区，04为水箱。为表征护岸材料的防冲刷效果，发明人测试了铺设有各实施例所制备的护岸材料的生态护坡和未铺设护岸材料的坡道在短时强降雨条件(降雨时长10min，降雨强度3.8mm/min)下的坡面径流平均含砂率，在暴雨条件下(降雨时长10h，降雨强度100mm/24h)下坡面径流的氨氮、硝氮、总氮去除率。结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002691856140000041
Figure BDA0002691856140000051
室外现场实验：
在经冲刷侵蚀的河岸(如图6所示)上构建生态护坡，所构建的生态护坡结构如图5所示，其中，1、2、3均为护岸材料，护岸材料的类型(A型、B型、C型)和数量可根据河道常水位5的要求进行设置，安装时不同类型护岸材料需错台连接，以灌浆孔上下左右对齐为准；4和8分别为种植在护岸材料植物内腔内的水生植物和旱生植物，水生植物和旱生植物分别位于河道常水位5上方和下方；7为护岸生态挡墙基础，在生态挡墙基础上，沿着需要防止河水冲刷的一侧垂直铺设一层土工布6，构建生态护坡后的河岸实物图如图7所示。考察构建有生态护坡(以实施例1制备的生物炭基护岸材料构建)的河岸经冲刷侵蚀后的水土流失情况和两个月后河道中水体的NH4 +-N，TP，TOC浓度变化，结果表明，以本发明生物炭基护岸材料构建有生态护坡的河岸结构稳定，不存在水土流失现象，两个月后河道中的水质大大提升，其中，河道中水体的NH4+-N浓度降低了13.3％，TP浓度降低了18.2％，TOC浓度降低了33.1％。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有水文相通、生物相容结构和污染净化功能的生态护岸材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将废弃的植物秸秆晒干后粉碎成粒径在3～5cm的生物质材料；然后将生物质材料置于高温裂解炉中，于400℃～600℃热解30min，热解结束后向裂解炉中通入N2，使获得的生物炭在N2气氛下冷却；
(2)将步骤(1)中得到的生物炭、河道泥沙、氢氧化钙、水均匀混合得到混合物，混合物中各成分的质量百分数分别为：生物炭3％～8％，河道泥沙90％～95％，氢氧化钙1％～2％；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具中，成型后静置1～2h后脱模得到生物炭基护岸材料半成品，然后将半成品放入反应釜中于80℃～200℃下水热反应10～48h，反应结束后即可得到生物炭基护岸材料成品；
步骤(3)中所述的水热反应在釜压为1.0～1.3bar，湿度大于80％的反应釜中进行；成型后的生物炭基护岸材料具有水文相通、生物相容结构。
2.采用权利要求1所述的制备方法制备的生物炭基护岸材料。
3.如权利要求2所述的生物炭基护岸材料在构建生态护坡上的应用。
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