CN113667483A - 酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用 - Google Patents

酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种酪蛋白‑葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，该方法将酪蛋白‑葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白‑葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：(6‑12)的比例加入；翻耕后栽种草本植物，进行田间管理。本发明针对尾矿粒径小、密度高、保水透气性差，且易流失、大量堆积的问题给出了一种新型的改良方法。解决了尾矿复垦过程中尾矿砂孔隙度低、持水性差等理化性质的缺陷，实现了铁尾矿的土壤化利用，破解了尾矿砂由于粒径细小，易于随水、风流失等问题，从而改善了矿区周围的扬尘问题以及尾矿坝塌陷和滑坡的风险。

Description

酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用
技术领域
本发明涉及酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，属于铁尾矿改良领域。
背景技术
我国铁矿总储量位居世界第五，是全球第一钢铁生产大国，也是铁矿石等大宗原材料全球最大的消费市场。但是，由于20世纪初我国选矿技术较为落后，因此大量有价值的铁尾矿被遗弃，随着选矿技术水平的提高，回收利用堆存的铁尾矿成为必然。据不完全统计，目前我国境内存有尾矿库万余座，堆存铁尾矿超70亿吨，直接或间接污染土地面积高达7000km2。目前，我国铁尾矿综合利用率约为17％，主要集中在回收尾矿砂做建筑材料、回收尾矿做化肥原料以及铁尾矿进行土壤复垦等方面。
现阶段铁尾矿土壤复垦的方法主要是采用覆土法、物理和化学处理法、生物法、增施有机肥等方法。其中，物理化学改良法是指利用化学改良剂并结合相应措施，改变尾矿性状，从而实现尾矿的土壤化利用。该方法技术多有报道，例如：
中国专利文献CN201810689836.5公开了一种铁尾矿土壤改良剂及铁尾矿土壤改良方法。将生物炭、稻壳、陶粒、有机肥、凹凸棒粉和种植土按不同比例混合制成土壤改良剂，改良了土壤粒度，减缓了水在土壤中流失的速率，增强了保水性能，可以快速、有效补充有机质含量，有效提高了尾矿中的有机质含量，为植物生长提供适宜的环境。
中国专利文献CN201910477208.5公开了一种修复污染土壤改良剂及改良方法，将钙镁磷肥，石灰，改姓沸石混合而成的改良剂与土壤混合、钝化，并在土壤上种植狗牙根从而实现修复污染土壤的目的，此发明把化学技术和植物技术相结合，能起到保护土壤结构的作用，在低成本的情况下修复锑造成的土壤污染，还能达到美化环境的作用。
尽管国内外改良铁尾矿的方法有很多，但是改良剂仍存在作用效果弱、作用时间短、会产生二次污染等问题，无法实现尾矿砂绿色长效改良。尾矿砂土粒径细小，堆积密实，易随水和风等流失，且保水通气性差，不利于作物种植与生长。而尾矿理化性质的改善，是其进行土壤化利用的基石。
为解决尾矿砂土利用程中粒径细小、容易流失的问题，有必要研发一种既增加尾矿砂土透气性和持水性，又能改良砂土环境，防治流失的改良尾矿砂土的新方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用。
本发明是通过如下技术方案实现的：
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，包括步骤如下：
(1)将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：(6-12)的比例加入；
(2)翻耕后栽种草本植物，进行田间管理。
根据本发明优选的，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂是由于酪蛋白和β-葡聚糖溶于磷酸盐缓冲液中进行水浴接枝共聚反应制备得到。
根据本发明优选的，酪蛋白和β-葡聚糖的质量比为(2-8)：1。
进一步优选的，酪蛋白和β-葡聚糖的质量比为(2-6)：1。
根据本发明优选的，酪蛋白与磷酸盐缓冲液的质量体积比为：(2-8)：100，单位：g/mL。
根据本发明优选的，水浴接枝共聚反应温度为90-100℃，水浴反应时间为80-100分钟。
根据本发明优选的，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：(6-8)。
根据本发明优选的，所述的有机肥为鸡粪肥，有机肥的施入量为0.1～0.5kg/m2。
根据本发明优选的，稻壳的施入量为0.1～0.5kg/m2。
根据本发明优选的，翻耕深度为15～20cm。
根据本发明优选的，草本植物为龙葵，种植密度为20～25株/m2。
本发明粘结剂是所述的酪蛋白和β-葡聚糖接枝共聚反应的生成物，二者均为生物聚合物。其中，β-葡聚糖天然存在于各种形式中，例如纤维素，麸皮以及酵母，真菌和细菌的细胞壁，0.5％的β-葡聚糖生物聚合物可产生高达4310kPa的土壤强度。且研究表明β-葡聚糖处理可以促进土壤中植物的生长，特别是可以促进贫瘠土壤上的植物生长。但由于多糖的亲水性，会使水饱和时土壤抗压强度降低。因此，可以通过混合疏水性生物聚合物，例如酪蛋白，来解决此问题。酪蛋白作为土壤粘合剂的应用可以增强生物聚合物处理过的土壤的耐水性，且酪蛋白已被广泛使用并应用于各种工业领域。本发明将两种材料接枝共聚，用于粒径小、流动性大的砂土，以增强其聚合力。
本发明的应用方法通过栽种植物，植物能够调节小气候，减少土质水分蒸发，提高土壤含水量，并且植物根系对土壤穿插导致土壤孔隙度变大，是一种有效改良土壤的技术方法。
本发明的应用方法具有以下特点及优点：
1、本发明酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂绿色环保，不会产生二次污染，且有长效改良的潜力。
2、本发明的应用方法解决了尾矿复垦过程中尾矿砂孔隙度低、持水性差等理化性质的缺陷，实现了铁尾矿的土壤化利用。
3、本发明的应用方法破解了尾矿砂由于粒径细小，易于随水、风流失等问题，从而改善了矿区周围的扬尘问题以及尾矿坝塌陷和滑坡的风险。
4、本发明的应用方法采用新型绿色粘结剂、稻壳及有机肥改良尾矿砂土理化性质，提高种植的植物生物量与生存性，方法简单、使用方便。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，步骤如下：
(一)制备粘结剂：
将酪蛋白和葡聚糖按3:1的质量比溶于100mL磷酸盐缓冲液中，取混合液于具塞试管中在95℃下水浴反应90min，待反应结束后在冰浴中迅速冷却终止反应，离心除去不溶物，冷冻干燥后得到酪蛋白-葡聚糖接枝物；
(二)与尾矿砂土混合
将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：10的比例加入；施加0.29kg/m2鸡粪肥、0.29kg/m2稻壳，然后翻耕20cm；以增大土壤孔隙度，熟化一周待用；
(三)栽种植物：
选取颗粒饱满、胚芽完整的待种龙葵植物种子，播种前将种子浸水4h，土壤平衡后，将浸水后的植物种子施加到步骤(二)的土壤中，定期进行浇水；
(四)日常养护：
(1)及时浇水灌溉，按季节、大小、土壤干湿，适时适量浇水，每次浇水浇足浇透，新栽植物每月不少于4次；
(2)施肥，在植物栽植成活后施肥；
(3)扶正、支柱，定期检查，将因刮风、下雨及其它因素造成的龙葵缺株按同规格进行补栽；
(4)病虫害防治，定期施以杀虫杀菌剂。
实施例2
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，步骤如下：
(一)制备粘结剂：
将酪蛋白和葡聚糖按2:1的质量比溶于100mL磷酸盐缓冲液中，取混合液于具塞试管中在95℃下水浴反应90min，待反应结束后在冰浴中迅速冷却终止反应，离心除去不溶物，冷冻干燥后得到酪蛋白-葡聚糖接枝物。
(二)混合土壤：
将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：6的比例加入；施加0.29kg/m2鸡粪肥、0.29kg/m2稻壳，然后翻耕20cm；以增大土壤孔隙度，熟化一周待用。
栽种植物、日常养护按实施例1的进行。
实施例3
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，步骤如下：
(一)制备粘结剂：
将酪蛋白和葡聚糖按4:1的质量比溶于100mL磷酸盐缓冲液中，取混合液于具塞试管中在95℃下水浴反应90min，待反应结束后在冰浴中迅速冷却终止反应，离心除去不溶物，冷冻干燥后得到酪蛋白-葡聚糖接枝物。
(二)混合土壤：
将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：8的比例加入；施加0.29kg/m2鸡粪肥、0.29kg/m2稻壳，然后翻耕20cm；以增大土壤孔隙度，熟化一周待用。
栽种植物、日常养护按实施例1的进行。
实施例4
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，步骤如下：
(一)制备粘结剂：
将酪蛋白和葡聚糖按:6:1的质量比溶于100mL磷酸盐缓冲液中，取混合液于具塞试管中在95℃下水浴反应90min。待反应结束后在冰浴中迅速冷却终止反应，离心除去不溶物，冷冻干燥后得到酪蛋白-葡聚糖接枝物。
(二)混合土壤：
将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：12的比例加入；施加0.29kg/m2鸡粪肥、0.29kg/m2稻壳，然后翻耕20cm；以增大土壤孔隙度，熟化一周待用。
栽种植物、日常养护按实施例1的进行。
对比例1
一种改良尾矿砂土的方法，为如下步骤：
将β-葡聚糖和尾矿砂按3:1配比混合均匀
栽种植物、日常养护按实施例1的进行。
对比例2
一种改良尾矿砂土的方法，为如下步骤：
将酪蛋白和尾矿砂按3:1配比混合均匀
栽种植物、日常养护按实施例1的进行。
对比例3
同实施例1所述的酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，不同之处在于：
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：3的比例加入。
对比例4
同实施例1所述的酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，不同之处在于：
酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：15的比例加入。
实验例：
本发明试施地点为位于大孤山尾矿库东南侧一块平整的空地。此处地势高，光照充足，地势平坦，近年无其他用处，适合于尾矿库进行模拟生态修复试验，尾矿砂土背景区性能指标数值状况见下表1：
表1
指标 检测值
容重(g/cm<sup>3</sup>) 1.57
总孔隙度(％) 44.68
田间持水量(％) 11.88
pH值 8.75
有机质含量(g/kg) 1.15
Cu(mg/kg) 12.5
Mn(mg/kg) 1070
Cd(mg/kg) 0.69
采用实施例1～4和对比例1～4的方法对大孤山尾矿库东南侧一块平整的空地进行改良，测试改良后土壤的理化性质，理化性质指标测定结果为如下表2所示，对龙葵生长发育的影响测定结果为如下表3所示。
表2改良后土壤的理化性质
Figure BDA0003166483550000061
Figure BDA0003166483550000071
表3龙葵生长发育指标
Figure BDA0003166483550000072
对于适于栽种植物土壤而言，pH值控制在6～8左右时就可以种植很多经济性作物；当土壤中的总孔隙度达到50％～65％时，即可营造出生物生长良好的孔隙状态；当土壤的含水率达到15％～20％时，土壤状态较好，也更适合植物生长；当土壤中有机质大于20g/kg时，土壤属于高肥力土壤，植物生长状态较好。
实施例1～4试验数据结果证明：土壤的理化性质更好，pH降低、孔隙度和含水率处于适于栽种植物土壤范围、有机质含量也较高；同时，植物的抗逆性有所提高、植物生长状况较好；而对比例1～4试验数据结果证明：土壤理化性质较差、养分贫瘠，植物的抗逆性较差，而且株高和出苗率及植物长势也较差。
对比例1、2可以看出，尾矿砂土施加单一种粘结剂的改良效果较差；这是因为单施葡聚糖时，由于多糖的亲水性，会使水饱和时土壤抗压强度降低。而单施酪蛋白时，尽管酪蛋白是疏水性物质，但是其增加土壤强度的能力不及多糖类物质，且对植物生长促进效果较差。而实施例中在尾矿砂土中施加葡聚糖-酪蛋白共聚新型土壤粘结剂改良的土壤各项性质效果更好，说明了两种发生接枝共聚反应后产生了协同效应。
对比例3、4可以看出，粘结剂与尾矿砂按照重量配比1:6～1:12混合为最佳范围。当粘结剂添加量过低时，产生的粘结效果较差，尾矿粒径依然较小，密度较大，不利于植物扎根土壤；而当粘结剂添加量过高时，尾矿颗粒之间粘结紧实，导致粒径过大，土壤过于密实，透气性差，会使水分流失较多，也不利于植物扎根。
除此之外，本发明实施例的方法在三个月的时间内效果显著，能够有效缩短尾矿砂土治理周期。

Claims (10)

1.酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂在改良尾矿砂土上的应用，包括步骤如下：
(1)将酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂施撒入尾矿砂土中并混合均匀，然后施入有机肥、稻壳进行翻耕，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂的施入量按粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：(6-12)的比例加入；
(2)翻耕后栽种草本植物，进行田间管理。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂是由于酪蛋白和β-葡聚糖溶于磷酸盐缓冲液中进行水浴接枝共聚反应制备得到。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，酪蛋白和β-葡聚糖的质量比为(2-8)：1。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，酪蛋白和β-葡聚糖的质量比为(2-6)：1。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，酪蛋白与磷酸盐缓冲液的质量体积比为：(2-8)：100，单位：g/mL。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，水浴接枝共聚反应温度为90-100℃，水浴反应时间为80-100分钟。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，酪蛋白-葡聚糖接枝物粘结剂与尾矿砂土的重量比为1：(6-8)。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的有机肥为鸡粪肥，有机肥的施入量为0.1～0.5kg/m2。
9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，稻壳的施入量为0.1～0.5kg/m2，翻耕深度为15～20cm。
10.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，草本植物为龙葵，种植密度为20～25株/m2。
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