CN114158456A - 一种重金属矿山边坡喷播材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种重金属矿山边坡喷播材料，按质量百分比计，包括以下组分：金属稳定化剂10～15％、种植土71～80％、保水剂0.5～2％、生物炭3～5％、植物纤维1～2％、绿化添加剂3～5％；其中，所述金属稳定化剂由S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃组成。本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料，具备强大的胶结性能，保证覆盖层结构的长期稳定性。此外，该喷播材料还能够为植物长期的生长提供充足的物理结构和营养组分，并避免重金属污染对植被生长造成的不利影响，使边坡植被恢复效果得到长期维持。本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料的制备工艺简单、成本低、易于大规模生产及应用，与传统的重金属矿山边坡治理方法相比，能显著降低治理成本，并取得更好的防护效果。

Description

一种重金属矿山边坡喷播材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于环境重金属污染防护技术领域，具体涉及一种重金属矿山边坡喷播材料及其制备方法与应用。
背景技术
大规模高强度的矿产资源开发活动为国家能源安全、经济发展做出贡献的同时，也带来了严重的环境问题。重金属矿山在开采过程中，经常要开挖大量边坡，而破坏原有的植被覆盖层，导致出现大量的次生裸地，产生严重的水土流失现象，加剧了生态系统的退化，这种现象在我国北方的黄土、南方的花岗岩风化类红土等生态环境脆弱区尤为明显。另外，地质环境的扰动和长期风雨侵蚀，矿区还往往存在重金属污染扩散的风险。因此，与传统铁路、公路、水电等工程建设过程形成的边坡相比，在治理过程中除了要考虑常规的边坡地质灾害治理的基础上，还要兼顾重金属污染风险的防控。
在过去，矿山边坡修复大多仅采用植被移植复绿的简单方法，如采用撒草种、铺草皮、穴播、沟播、空心六棱砖植草、片石骨架植草、栽植树木等。然而，由于矿山边坡缺乏植被生长所需的土壤结构(一定的水分、养分、有机质等组成的团粒结构)，上述方法均无法为边坡提供长期良好的绿化效果。
近年来，随着喷播技术在我国的逐渐推广与发展，该技术已广泛应用于我国不同地区的铁路、公路及堤坝等工程的边坡防护。然而，喷播技术应用于重金属矿山边坡治理时，却无法避免重金属污染带来的不利影响，喷播层易脱落、植被长期生长状况差的不足等问题仍难以解决，从而限制了喷播技术在治理重金属矿山边坡治理中的推广与应用。
基于此，如何开发一种新的重金属矿山边坡喷播材料以解决现有的喷播材料应用于重金属矿山边坡治理过程中存在的粘结度差、覆盖层易脱落、后期维护成本高，以及边坡土壤重金属含量高导致的植被存活率低等问题，是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种与金属矿山边坡粘结度高、覆盖效果好，并能够提高边坡防护植物发芽率和存活率的重金属矿山边坡喷播材料。
本发明的目的之二，在于提供一种上述重金属矿山边坡喷播材料的制备方法。
本发明的目的之三，在于提供一种上述重金属矿山边坡喷播材料在重金属矿山边坡治理中的应用。
本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种重金属矿山边坡喷播材料，按质量百分比计，所述重金属矿山边坡喷播材料包括以下组分：金属稳定化剂10～15％；种植土71～80％；保水剂0.5～2％；生物炭3～5％；植物纤维1～2％；绿化添加剂3～5％。其中，金属稳定化剂由S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃组成。
在上述组成成分中：
金属稳定化剂，基于同相-类同相机理，用于提升喷播材料的胶结性能，以提高有效喷播层的结构稳定性。特别是针对重金属污染，通过具有-Si-O-Al-O-Si结构的长链铝硅酸盐，形成结构致密的铝硅酸盐三维结构聚合物。该聚合物强度高，依靠离子交换、特定位点吸附等特性，发挥固化金属污染因子的作用。一般而言，随着金属稳定化剂含量的提高，喷播材料的抗剪切强度也不断提升。然而，当金属稳定化剂含量高于15％时，虽然喷播层的耐性和强度会进一步提升，但是会对植物生长造成一定的影响(导致植物发芽率和存活率降低)，通过喷播材料的成本也随着金属化稳定剂含量的增多而显著增加。因此，综合考虑将金属稳定化剂的控制在喷播材料总重量的10～15％为最佳。
种植土，作为喷播材料的主要组成部分，为植物的发芽和生长提供必要的保障；保水剂，用于改善基材含水量，增加植物的抗旱性能；生物炭，用于改善喷播材料的结构，增加养分；植物纤维，用于增加基材整体性和抗侵蚀性，改善喷播材料的结构。绿化添加剂，用于中和水化过程中胶凝材料产生的强碱性，调节喷播材料的pH值，降低胶凝材料产生的水化热；同时，绿化添加剂还能够增加喷播材料的空隙率，提高透气性能，改变喷播材料变形特性，避免喷播材料产生龟裂。
在上述技术方案的基础上，所述金属稳定化剂按重量百分比计，包括：矿粉50～60％，水泥熟料10～20％，脱硫灰10～20％，水玻璃(硅酸钠)6～10％。优选地，所述矿粉为S95级及以上级别的矿粉，水泥熟料为45#水泥熟料。
在上述技术方案的基础上，所述种植土为无污染耕植土表土；所述种植土中，土壤颗粒的粒径不高于0.5mm，砂粒含量不高于5％，含水量不高于20％；所述种植土中还添加有机无机复混肥，有机无机复混肥与种植土的质量比为5～10g/kg；有机无机复混肥由氮肥、磷肥和钾肥组成。
在上述技术方案的基础上，所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸铵、淀粉接枝丙烯酸盐中的一种或多种的组合。
在上述技术方案的基础上，所述生物炭为腐烂锯末、酒糟、泥炭中的一种或多种的组合。
在上述技术方案的基础上，所述植物纤维为新鲜锯末、稻壳、碎草、树皮纤维中的一种或多种的组合。
在上述技术方案的基础上，所述绿化添加剂按重量百分比计，包括腐殖质60～80％、复合型菌剂10～20％、膨润土10～20％；所述绿化添加剂的pH值为5～6。
本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种重金属矿山边坡喷播材料的制备方法，包括以下步骤：按比例称取金属稳定化剂、种植土、保水剂、生物炭、植物纤维和绿化添加剂，混合均匀，即得到重金属矿山边坡喷播材料。
本发明实现目的之三采用的技术方案是：提供一种基于目的一所述的重金属矿山边坡喷播材料或目的二所述的制备方法制备得到的重金属矿山边坡喷播材料在重金属矿山边坡治理的应用。该应用包括：将所述重金属矿山边坡喷播材料与水按照1:2～4的质量比混合均匀，加入喷播设备箱体中。
在上述技术方案的基础上，所述喷播设备的泵体输出能力为50～100L/min，喷播设备的箱体容积为300～400升，喷播设备的满负荷工作时间2～20分钟，喷覆半径为3～8米。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料，具备强大的胶结性能，使用时可以与矿山边坡表面牢固的黏连在一起，保证长期的结构稳定性。此外，该喷播材料还能够为植物长期的生长提供充足的物理结构和营养组分，并避免重金属污染对植被生长造成的不利影响，使边坡植被恢复效果可以得到长期维持。
(2)本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料的制备工艺简单、成本低、易于大规模生产及应用，相对于传统的重金属矿山边坡治理方法，能显著降低治理成本。实验数据表明，采用本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料进行重金属矿山边坡防护，防护层土壤的抗剪强度高、抗侵蚀性能好，植物的种子发芽率及成活率均明显高于常规防护方法。
附图说明
图1为本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料的制备方法及应用的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明实施例1-5配方所涉及主要组分的重量百分比见下表1和表2。
表1：
Figure BDA0003378124300000041
表2：
Figure BDA0003378124300000042
Figure BDA0003378124300000051
实施例1
(1)将S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃按照表1所示的比例混合，制备金属稳定化剂；
(2)将金属稳定化剂、种植土、生物炭、植物纤维、保水剂和绿化添加剂按表2所示的比例混合均匀，得到重金属边坡喷播材料；其中，保水剂为聚丙烯酰胺；绿化添加剂包括腐殖质60wt％、复合菌剂20wt％和膨润土20wt％，
(3)将重金属边坡喷播材料与水按1:3的比例混合后，加入喷播设备中；
(4)利用喷播设备将制备得到的重金属矿山边坡喷播材料均匀的喷施于需要防护的边坡面上。其中，设备泵体输出能力为100L/min，箱体容积为330升，满负荷工作时间3分钟，喷覆半径为5米。
实施例2
(1)将S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃按照表1所示的比例混合，制备金属稳定化剂；
(2)将金属稳定化剂、种植土、生物炭、植物纤维、保水剂和绿化添加剂按表2所示的比例混合均匀，得到重金属边坡喷播材料；其中，保水剂为聚丙烯酸胺；绿化添加剂包括腐殖质70wt％、复合菌剂20wt％和膨润土10wt％，
(3)将重金属边坡喷播材料与水按1:4的比例混合后，加入喷播设备中；
(4)利用喷播设备将制备得到的重金属矿山边坡喷播材料均匀的喷施于需要防护的边坡面上。其中，设备泵体输出能力为80L/min，箱体容积为400升，满负荷工作时间5分钟，喷覆半径为4米。
实施例3
(1)将S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃按照表1所示的比例混合，制备金属稳定化剂；
(2)将金属稳定化剂、种植土、生物炭、植物纤维、保水剂和绿化添加剂按表2所示的比例混合均匀，得到重金属边坡喷播材料；其中，保水剂为淀粉接枝丙烯酸盐；绿化添加剂包括腐殖质80wt％、复合菌剂10wt％和膨润土10wt％，
(3)将重金属边坡喷播材料与水按1:2的比例混合后，加入喷播设备中；
(4)利用喷播设备将制备得到的重金属矿山边坡喷播材料均匀的喷施于需要防护的边坡面上。其中，设备泵体输出能力为50L/min，箱体容积为300升，满负荷工作时间6分钟，喷覆半径为3米。
实施例4
(1)将S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃按照表1所示的比例混合，制备金属稳定化剂；
(2)将金属稳定化剂、种植土、生物炭、植物纤维、保水剂和绿化添加剂按表2所示的比例混合均匀，得到重金属边坡喷播材料；其中，保水剂由聚丙烯酰胺、聚丙烯酸铵和淀粉接枝丙烯酸盐组成；绿化添加剂包括腐殖质70wt％、复合菌剂15wt％和膨润土15wt％，
(3)将重金属边坡喷播材料与水按1:3的比例混合后，加入喷播设备中；
(4)利用喷播设备将制备得到的重金属矿山边坡喷播材料均匀的喷施于需要防护的边坡面上。其中，设备泵体输出能力为100L/min，箱体容积为330升，满负荷工作时间3分钟，喷覆半径为5米。
实施例5
(1)将S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃按照表1所示的比例混合，制备金属稳定化剂；
(2)将金属稳定化剂、种植土、生物炭、植物纤维、保水剂和绿化添加剂按表2所示的比例混合均匀，得到重金属边坡喷播材料；其中，保水剂为聚丙烯酰胺；绿化添加剂包括腐殖质75wt％、复合菌剂15wt％和膨润土10wt％，
(3)将重金属边坡喷播材料与水按1:3的比例混合后，加入喷播设备中；
(4)利用喷播设备将制备得到的重金属矿山边坡喷播材料均匀的喷施于需要防护的边坡面上。其中，设备泵体输出能力为100L/min，箱体容积为330升，满负荷工作时间3分钟，喷覆半径为8米。
对照组
采集当地的原始土壤样品，采用与实施例1中步骤(3)和(4)相同的喷播方法，对矿山边坡进行喷播，构筑边坡覆盖层。
应用例
性能测试：对实施例1-5喷播后的形成的覆盖层以及对照组形成的覆盖层进行抗剪强度、种子发芽率、抗侵蚀性能测试、pH值以及植物存活率进行测试。相关测试的方法、测试仪器如下：
(a)抗剪强度：土壤抗剪强度采用14.10Pocket Vane Tester型三头抗剪仪测定。为保证测定结果的可靠性及有效性，剔除异常情况.每个组别的抗剪强度重复3次，如测试的3个结果差异较大，则增加测试次数。对6种土壤质地的抗剪强度进行统计分析。
(b)种子发芽率：试验植物选用适合当地气候特征、根系发达、抗逆性能优良的草本植物狗牙根，播种7天后，检测不同组中种子的发芽率。
(c)抗侵蚀性能：为有效模拟岩石边坡植被护坡工程性状，试件采用人工切割的黄色砂岩石板为底面.石板长2.55m，宽1.05m，厚6cm，上面用高35cm、厚1cm的PVC板锚固形成净空为1m×2.5m的土槽，一方留径流口.石板与PVC板连接处用防水胶密封，整体放置于坡度可调的移动支架上。本次试验将坡度设定为45度，采用干喷法将三组材料分别喷射(12m3空压机、5fn3/h混凝土喷射机)至PVC土槽内，喷射厚度为10cm，在径流出口处设置带有刻度的径流桶.试验过程用秒表记录坡面产流时间，并每5min对径流桶读数一次.由于泥沙侵蚀及养分流失主要与基质径流有关，降雨结束后在基质径流桶内用1000mL烧杯采集水样，过滤定量径流，测定泥沙含量.本测试记录的为降雨强度150mm时所对应的泥沙侵蚀量(降雨时间60min)。
(d)植物存活率：在喷播层构筑完成后，于播种第7天统计发芽植物的数量，于植物发芽后第30天，统计存活植物的数量，并计算植物存活率。
实施例1-5及对照组的各项测试结果见下表3：
表3：
Figure BDA0003378124300000071
由上表可知，
对照组直接采用当地的原始土壤样品进行喷播形成边坡覆盖层，喷播层的抗剪强度较差，仅为1.67±0.09kg/cm2，泥沙侵蚀量高达340g/m2，这反映了对照组采用常规方法形成的喷播层存在粘结度差、覆盖层容易脱落的问题。进一步的，虽然对照组的种子发芽率达97％，但是30天后的植物存活率仅为70％。这说明，矿山边坡土壤内所含的重金属会对植物的生长产生不利影响，降低植物的存活率。
本发明实施例1-5形成的喷播覆盖层，抗剪强度为4.12～5.66kg/cm2，泥沙侵蚀量仅为78～95g/m2，这说明实施例1-5的喷播材料能够与矿山边坡表面牢固地粘接在一起，保证了整体结构的稳定性。进一步的，实施例1-5中，种子发芽后30天的存活率可达90～98％，这说明本发明提供的重金属矿山边坡喷播材料在为植物长期的生长提供充足的物理结构和营养组分的同时，还能有效避免重金属污染对植被生长造成的不利影响，提高植物的存活率和植被覆盖率，使边坡植被恢复效果可以得到长期维持。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，按重量百分比计，所述重金属矿山边坡喷播材料包括以下组分：
金属稳定化剂 10～15％；
种植土 71～80％；
保水剂 0.5～2％；
生物炭 3～5％；
植物纤维 1～2％；
绿化添加剂 3～5％；
所述金属稳定化剂由S95级矿粉、水泥熟料、脱硫灰和水玻璃组成。
2.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述金属稳定化剂的组分，按重量百分比计，包括：S95级矿粉50～60％，水泥熟料10～20％，脱硫灰10～20％，水玻璃6～10％。
3.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述种植土包括无污染耕植土表土；所述种植土中，土壤颗粒的粒径不高于0.5mm，砂粒含量不高于5％，含水量不高于20％；所述种植土中还添加有机无机复混肥，有机无机复混肥与种植土的质量比为5～10g/kg。
4.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸铵、淀粉接枝丙烯酸盐中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述生物炭为腐烂锯末、酒糟、泥炭中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述植物纤维为新鲜锯末、稻壳、碎草、树皮纤维中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的重金属矿山边坡喷播材料，其特征在于，所述绿化添加剂按重量百分比计，包括腐殖质60～80％、复合型菌剂10～20％、膨润土10～20％；绿化添加剂的pH值为5～6。
8.一种权利要求1-7任一项所述的重金属矿山边坡喷播材料的制备方法，包括以下步骤：按比例称取金属稳定化剂、种植土、保水剂、生物炭、植物纤维和绿化添加剂，将上述原料混合均匀，即得到重金属矿山边坡喷播材料。
9.权利要求1-7任一项所述的重金属矿山边坡喷播材料或权利要求8所述的制备方法制备得到的重金属矿山边坡喷播材料在重金属矿山边坡治理中的应用，其特征在于：将所述重金属矿山边坡喷播材料与水按照1:2～4的质量比混合均匀，加入喷播设备箱体中。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述喷播设备的泵体输出能力为50～100L/min，喷播设备的箱体容积为300～400升，喷播设备的满负荷工作时间2～20分钟，喷覆半径为3～8米。
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