CN114891515B - 一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料及制备方法 - Google Patents

一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料及制备方法，包括包含如下重量的各组分：芽孢杆菌0.003％、生物质碳粉83.0～85.7％、稀土尾矿14.3～17.0％。其制备方法包括从土壤中分离纯化的芽孢杆菌进行培养放大，浓缩；将稀土尾矿粉碎筛分出100～150目的矿粉；将植物秸秆制成生物质碳粉；将制备的稀土尾矿粉与生物质碳粉按照质量比1:5～1:6混合，加适量水混匀后造粒，干燥2h，再置于管式炉中于600℃缺氧焙烧2h，冷却后，取出，形成载体；将载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕2，负载S1中芽孢杆菌菌种，反应时间为4h，取出置保存。本发明通过生物质基稻壳与稀土尾矿的掺杂后，钝化材料的孔径明显增大，增加了对土壤中Cd的吸附固定效果，具有良好的复垦效果。

Description

一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料及制备 方法
技术领域
本发明属于土壤重金属修复领域，特别涉及一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料及制备方法。
背景技术
土壤是经济社会可持续发展的物质基础，土壤中重金属含量超标对土壤结构、植物生长以及土壤中的微生物菌群代谢影响较大。常见的土壤中镉污染修复主要有物理、化学淋洗、生物、农艺调整、原位钝化等措施。其中生物修复包括微生物、植物、动物以及联合修复；原位钝化修复是通过施用钝化剂，利用沉淀、吸附配位、有机络合、还原等物理化学机制，使土壤中的镉由交换态向稳定态转化，降低其迁移性、生物有效性，达到修复目的。中轻度镉污染土壤主要采用原位修复为主，即采用生物及其固定化、田间管理等措施钝化土壤中的镉阻控农产品对其富集，在提高农产品质量和改善土壤结构的同时完成修复。优良的钝化剂能实现土壤理化性状和养分的改善，提高土壤微生物的活性，常用的钝化材料主要分为有机类和无机类，其中有机类钝化剂主要包括动物粪便、秸秆、生物炭、城市生活污泥等。由于土壤固有基质的复杂性，多种重金属与土壤界面之间、重金属之间存在复杂的相互作用，因此不同钝化剂钝化效果也不尽相同。通过研发新型生物炭钝化材料，提高其在土壤镉污染修复过程中的钝化性能，同时阻控农作物对土壤中镉的富集成为当前钝化修复技术的发展趋势。
然而，目前钝化材料的制备研究大多关注修复效果，对于固定化微生物材料的稳定性、重复利用等技术问题尚未完全解决，同时土壤重金属钝化剂的大量使用是否对土壤环境造成二次污染也是亟待解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中的缺点和不足，本发明提供一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料，采用能提高钝化剂载体的机械强度和吸附重金属离子的稀土尾矿掺杂生物质基为载体，负载功能菌后能降低重金属Cd在植株体内的富集，实现土壤中重金属Cd的钝化。
本发明的目的是通过下述技术方案实现，一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料，包含如下重量的各组分：芽孢杆菌0.003％、生物质碳粉83.0～85.7％、稀土尾矿14.3～17.0％。
进一步的，所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，包含如下步骤：
S1：从土壤中分离纯化的芽孢杆菌采用牛肉膏培养基进行培养放大，浓缩，使菌群的菌量在0.9～1.1亿/ml；
S2：将稀土尾矿粉碎筛分出100～150目的矿粉，备用；
S3：将植物秸秆缺氧400℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质碳粉；
S4:将步骤S2中制备的稀土尾矿粉与步骤S3中制备的生物质碳粉按照质量比1:5～1:6混合，加适量水混匀后造粒，置于40℃真空干燥箱中干燥2h，再置于管式炉中于600℃缺氧焙烧2h，冷却后，取出，形成载体；
S5：将步骤S4中制备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕2，负载S1中芽孢杆菌菌种，反应时间为4h，取出置于25～35℃环境中保存。
进一步的，所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌的菌量为1亿/ml。
进一步的，所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中生物质碳粉与稀土尾矿粉按照质量比1:5.5混合。
本发明相对于现有的技术具有如下优势：
本发明获得的一种用于重金属Cd含量较高的农产品种植地土壤的原位修复钝化材料，掺杂稀土尾矿生物质基载体，其中大陆槽稀土尾矿中主要的稀土载体矿物主要是氟碳铈矿，主要矿物为萤石、重晶石和天青石、硅铝酸盐矿物和石英，少量的铁氧化物。由于在焙烧过程中温度不同形成的生物炭孔径及表面积不同，在焙烧过程中会释放二氧化碳，使尾矿矿物晶型发生改变，增加了孔隙率。大陆槽稀土尾矿中不含放射性元素，掺杂在生物质一起成型焙烧后形成规整载体，载体中含少量金属元素与微生物固定后形成的钝化材料不仅为微生物的代谢提供场所，同时利用金属元素的活性也可形成高低不同电势构成微电解材料增加强化酶促反应，提高钝化效率。
通过氮吸附实验表明，通过生物质基稻壳与稀土尾矿的掺杂后，钝化材料的孔径明显增大，增加了对土壤中Cd的吸附固定效果。
附图说明
图1为本发明中紫皮蒜种植时间对土壤中Cd富集的影响图；
图2为本发明中紫皮蒜种植温度对Cd富集的影响图；
图3为本发明中钝化剂投加量对紫皮蒜Cd富集的影响图；
图4为本发明钝化剂的投加量对紫皮蒜不同部位Cd含量的影响图；
图5为本发明不同载体钝化剂对土壤及紫皮蒜Cd含量的影响图；
图6为不同钝化剂对紫皮蒜富集、运移Cd的影响图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料，包含如下重量的各组分：芽孢杆菌0.003％、生物质碳粉83.0～85.7％、稀土尾矿14.3～17.0％。
本发明所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，包含如下步骤：
S1：从土壤中分离纯化的芽孢杆菌采用牛肉膏培养基进行培养放大，浓缩，使菌群的菌量在0.9～1.1亿/ml；
S2：将稀土尾矿粉碎筛分出100～150目的矿粉，备用；
S3：将植物秸秆缺氧400℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质碳粉；
S4:将步骤S2中制备的稀土尾矿粉与步骤S3中制备的生物质碳粉按照质量比1:5～1:6混合，加适量水混匀后造粒，置于40℃真空干燥箱中干燥2h，再置于管式炉中于600℃缺氧焙烧2h，冷却后，取出，形成载体；
S5：将步骤S4中制备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕2，负载S1中芽孢杆菌菌种，反应时间为4h，取出置于25～35℃环境中保存。
进一步的，所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌的菌量为1亿/ml。
进一步的，所述的土壤重金属钝化材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中生物质碳粉与稀土尾矿粉按照质量比1:5.5混合。
本发明中稀土尾矿主要是大陆槽稀土尾矿，其中主要的稀土载体矿物主要是氟碳铈矿，主要矿物为萤石、重晶石和天青石、硅铝酸盐矿物和石英，含有少量的铁氧化物。由于在焙烧过程中温度不同形成的生物炭孔径及表面积不同，在焙烧过程中会释放二氧化碳，使尾矿矿物晶型发生改变，增加了孔隙率。本发明中的600℃温度能够有效的促进尾矿矿物晶型发生改变，增加孔隙率。大陆槽稀土尾矿中不含放射性元素，掺杂在生物质一起成型焙烧后形成规整载体，载体中含少量金属元素与微生物固定后形成的钝化材料不仅为微生物的代谢提供场所，同时利用金属元素的活性也可形成高低不同电势构成微电解材料增加强化酶促反应，提高钝化效率。
通过氮吸附实验表明，通过生物质基稻壳与稀土尾矿的掺杂后，钝化材料的孔径明显增大，增加了对土壤中Cd的吸附固定效果。
本发明的一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料，主要用于处理农产品种植地Cd含量较高的土壤，如对紫皮蒜种植地土壤中Cd的钝化应用。其中实验土壤是通过采集四川某市农产品种植地，通过测试分析，其物化性质如下表1。
表1实验土壤组分含量
每组实验将使用15个3加仑的种植盆中装入3kg实验土壤，每盆种植6个头均匀的紫皮蒜蒜瓣置于人工气候控制光照时间为6h，光照强度为85μmol/(m2·s)时，同一条件下设置3个平行样，分3批次在不同的温度、时间、钝化材料投加量等条件下考察紫皮蒜对土壤中Cd的富集。当温度为15℃，钝化材料投加量为1％时，考察种植时间紫皮蒜对土壤中Cd富集结果如图1。从图1可以看出种植时间越长，紫皮蒜中的Cd含量越高。当钝化材料投加量为1％，种植时间为30d时，考察不同种植温度紫皮蒜对土壤中Cd的富集结果图如2。从图2可以看出，温度越接近15℃时，紫皮蒜中的Cd含量越高。当温度为15℃，种植时间为30d时，考察钝化材料投加量紫皮蒜对土壤中Cd的富集结果如图3。从图3可以看出，钝化材料投加量的增加能够有效的减少紫皮蒜中的Cd含量。
为近一步了解掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料作为处理Cd含量较高的土壤在农产品种植时植株对土壤中Cd的吸收、吸附效果，在同样条件下将它与不掺杂稀土尾矿制备的生物质基载体、活性炭、等常规固定材料在相同条件下负载菌群后投加到土壤中，当钝化材料的投加比例为1％，种植温度为15℃，种植时间为30d时，紫皮蒜不同部位Cd的含量如下图3和图4。由图3和图4可知，在土壤中投入本发明的钝化材料能有效减少紫皮蒜根部对Cd的吸附，减少植株Cd的吸收。具体来说，在紫皮蒜根部吸附部位，其中投加了本发明的钝化材料、不掺杂稀土尾矿制备的生物质基载体以及活性炭均能够有效的减少对Cd的吸附，差不多能够减少40-50％的Cd吸附，其中投加了本发明的钝化材料以及活性炭的效果稍高于不掺杂稀土尾矿制备的生物质基载体。但对于紫皮蒜中Cd的含量来看，投加了本发明的钝化材料的紫皮蒜中Cd的含量明显少于投加了活性炭以及投加了不掺杂稀土尾矿制备的生物质基载体。
实验将使用9个3加仑的种植盆中装入3kg实验土壤，每盆种植6个头均匀的紫皮蒜蒜瓣置于人工气候箱中控制湿度为25℃，光照时间为6h，光照强度为85μmol/(m2·s)时，考察稀土尾矿、生物质不同掺杂量制备的钝化剂与不掺杂稀土尾矿制备的生物质基载体、活性炭等常规固定材料在相同条件下负载菌群后投加到土壤中，投加比例为1％，紫皮蒜不同部位对土壤中Cd的吸附、吸收、转运效率，结果如图6。其中，富集系数BCF＝植株中重金属质量分数/土壤中该重金属的质量浓度；生物运转系数TF＝植株地上部重金属质量分数/根系中重金属质量分数。
由图6可知，本发明掺杂稀土矿生物质载体(稀土尾矿粉与生物质碳粉质量为1:5.5)的钝化材料B投加到紫皮蒜种植地中能有效钝化土壤中的重金属Cd，使紫皮蒜对土壤的Cd的富集系数0.86，均低于生物质载体钝化剂、活性炭载体的钝化剂、掺杂稀土矿生物质载体(稀土尾矿粉与生物质碳粉质量为1:5)的钝化材料A、掺杂稀土矿生物质载体(稀土尾矿粉与生物质碳粉质量为1:6)的钝化材料C，其中掺杂稀土矿生物质载体投加后植株体内的转运系数也低于另两种钝化材料，仅为0.011～0.012。
本发明的实施例以及实验中的植株是用紫皮蒜，同样的，上述的实验结果对于其它植株也具有相似的结论。能够看出，土壤中投加了本发明的钝化材料，可以明显的减少对土壤中的Cd的吸收和吸附。

Claims (3)

1.一种掺杂稀土尾矿生物质基载体土壤重金属钝化材料，其特征在于，包含如下重量的各组分：芽孢杆菌0.003％、生物质碳粉83.0～85.7％、稀土尾矿14.3～17.0％；
其中上述土壤重金属钝化材料的制备方法，包含如下步骤：
S1：从土壤中分离纯化的芽孢杆菌采用牛肉膏培养基进行培养放大，浓缩，使菌群的菌量在0.9～1.1亿/ml；
S2：将稀土尾矿粉碎筛分出100～150目的矿粉，备用；
S3：将植物秸秆缺氧400℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质碳粉；
S4:将步骤S2中制备的稀土尾矿粉与步骤S3中制备的生物质碳粉按照质量比1:5～1:6混合，加适量水混匀后造粒，置于40℃真空干燥箱中干燥2h，再置于管式炉中于600℃缺氧焙烧2h，冷却后，取出，形成载体；
S5：将步骤S4中制备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕2，负载S1中芽孢杆菌菌种，反应时间为4h，取出置于25～35℃环境中保存。
2.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化材料，其特征在于，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌的菌量为1亿/ml。
3.根据权利要求1所述的土壤重金属钝化材料，其特征在于，步骤S4中稀土尾矿粉与生物质碳粉按照质量比1:5.5混合。
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