CN115443879A - 一种基质化煤矸石的制备方法和基于煤矸石的育苗基质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基质化煤矸石的制备方法和基于煤矸石的育苗基质，基质化煤矸石的制备包括：将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒，并将不同粒级的煤矸石颗粒按照一定的比例混合；将生物质与水混合加入到高压水热反应釜中进行水热碳化反应，固液分离后得到固体水热炭和水热溶液；将煤矸石混合颗粒、水热炭和土壤进行充分混合，制备得到基质化煤矸石。将得到的煤矸石基质与水热碳化溶液和少量化学肥料进行混合得到育苗基质。本发明充分利用固体水热炭表面有机质、含氧官能团和含氮官能团，达到提高煤矸石基质养分、保水率和钝化重金属的目的。此外，水热溶液含有丰富的有机物质，富含CHON元素，可减少化学肥料的添加，绿色环保无污染。
Description
技术领域
本发明涉及固体废物资源化领域，尤其涉及一种基质化煤矸石的制备方法和基于煤矸石的育苗基质。
背景技术
煤矸石是煤炭能源行业中的最常见的一种固体废弃物，是在煤炭的生产和加工中产生的伴生资源，约占煤炭产量的15％。据统计我国煤矸石堆积量已超过50亿吨，且每年仍以1.5-2亿吨增长，但年利用率仅60％左右，一部分煤矸石用于发电和工业建筑行业，而更多的煤矸石被堆弃在矿区周边，形成矸石山，已造成严重的土地污染和浪费。
以煤矸石为基质的土壤改良剂是实现其大宗增值利用的有效途径。煤矸石的预处理或与其他固体废弃物混合制作的土壤改良剂能明显改善土壤的结构和提高土壤微生物种类和数量，促进土壤形成代谢和腐殖质的形成，显著加强土壤保水、保肥能力，更有利于作物生长发育。但煤矸石含硫量高，pH值过低，直接使用会加剧土壤酸化，同时，煤矸石会降低其周围的微生物活性而影响基质的养分释放总量和速度。此外，很多矿物都含有较高重金属含量，各类矿区都存在一定程度的土壤重金属污染，应尽量使土壤中重金属钝化降低重金属对植物的影响，但是一般化学钝化剂大多成本较高。因此，煤矸石基质的营养缺乏和重金属污染问题是制约煤矸石土壤改良剂应用的关键技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基质化煤矸石的制备方法。
本发明的目的之二是提供一种育苗基质。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基质化煤矸石的制备方法，包括如下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到细、中、粗三种不同粒度的煤矸石颗粒，并按照一定比例将不同粒度颗粒混合；
2)将生物质粉碎，得到粒度为1-5mm的生物质颗粒；
3)将步骤2)得到的生物质颗粒与水按照1:1-5的质量比混合，然后加入高压水热反应釜中，升温至180-260℃，保温2-6h，自然冷却至室温得到水热碳化反应产物；
4)将步骤3)得到的水热产物进行固液分离，得到固体水热炭和水热碳化溶液；
5)将步骤1)得到的不同粒度煤矸石混合颗粒、步骤4)得到的水热炭和土壤按照一定的比例混合，搅拌均匀，得到基质化煤矸石。
优选的，步骤1)中细颗粒的粒径<3mm，中颗粒的粒径3-6mm，粗颗粒的粒径>6mm。
优选的，步骤1)中细颗粒、中颗粒、粗颗粒的混合比例为1:1:3。
优选的，步骤3)中所述生物质颗粒与水的混合比例为1：2-3。
优选的，步骤3)中升温速率为150-200℃/h。
优选的，步骤5)中不同粒度煤矸石混合颗粒、水热炭和土壤的质量比为40-65:15-45:15-20。
第二方面，本发明还提供一种育苗基质，包括上述的基质化煤矸石和水热碳化溶液。
优选的，所述育苗基质还包括化学肥料。
优选的，所述育苗基质中有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为>40g/kg，>0.2mg/kg，>150mg/kg，>40mg/kg，>200mg/kg。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
a)本申请通过采用生物质原料经过水热碳化处理后与煤矸石、土壤进行混合制备煤矸石土壤基质，实现了生物质和煤矸石等固体废弃物的资源化利用，绿色环保无污染。
b)本申请中水热碳化产物中水热炭含有丰富的有机质以及氮素，可提高土壤有机质含量，增加土壤养分；同时，水热碳具有多微孔结构，施用水热炭有利于改善土壤结构，增加土壤总孔隙度，降低土壤容重，控制土壤水分蒸发，从而提高土壤田间持水量和有效水含量并改变土壤水分入渗特征，提高作物产量。
c)本申请中水热碳化产物中水热炭表面含有丰富的含氧官能团，含氧官能团对水的高度亲和力，在保持土壤水分方面具有显著优势；此外，水热碳表面的羟基、羧基和含氮官能团可与土壤中重金属发生共沉淀和内部络合反应，通过改变土壤中重金属的有效态来实现重金属离子的钝化。
d)本申请中水热碳化产物中水热溶液含有丰富的有机物质，富含CHON元素，其含有的还原糖、乙酸和糠醛等有机物可为植物生长提供养料，可大量减少化学肥料的使用，节约成本，且环境友好无污染。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图。
图2为本发明实施例1中得到的固体水热炭的SEM图。
图3为本发明实施例2中得到的固体水热炭的SEM图。
图4为本发明实施例1和实施例2中得到的固体水热炭的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明中对原料煤矸石的来源没有限定要求，只要符合以下标准即可：重金属含量低于土壤环境质量标准中三级标准的要求，有机质含量在15％以上。
如图1所示，本发明提供一种基质化煤矸石的制备方法，包括以下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到细、中、粗三种不同粒度的煤矸石颗粒，并按照一定比例将不同粒度颗粒混合；需要说明的是，为保证基质的透气、透水性，粉碎后的煤矸石颗粒分为细颗粒(粒径<3mm)、中颗粒(粒径3-6mm)和粗颗粒(粒径>6mm)，其中细颗粒：中颗粒：粗颗粒混合比例优选为1:1:3。本发明对所述粉碎的方法没有特殊的要求，采用本领域技术人员公知的破碎机破碎方式即可。
2)将生物质粉碎，得到粒度为1-5mm的生物质颗粒；
3)将步骤2)得到的生物质颗粒与水按照1:1-5的比例混合，然后加入高压水热反应釜中，以150-200℃/h的升温速率升温至180-260℃，保温2-6h，自然冷却至室温得到水热反应产物；
4)将步骤3)得到的水热产物进行固液分离，得到固体水热炭和水热碳化溶液；
5)将步骤1)得到的不同粒度煤矸石混合颗粒、步骤4)得到的水热炭和土壤按照40-65:15-45:15-20的比例混合，搅拌均匀，得到基质化煤矸石。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌。本发明中对所述土壤的来源没有限定要求，只要为邻近农田土壤即可。
与现有技术相比，本发明得到的水热炭固体含有丰富的有机质以及氮素，可提高土壤有机质含量，增加土壤养分，改善现有煤矸石基质存在的养分贫乏问题；同时，水热炭具有多微孔结构，施用水热炭有利于改善土壤结构，增加土壤总孔隙度，降低土壤容重，控制土壤水分蒸发，从而提高土壤田间持水量和有效水含量并改变土壤水分入渗特征，彻底改善土壤易板结现状。此外，水热炭表面的含氧官能团在保持土壤水分和钝化重金属方面具有显著优势。
本发明还提供一种育苗基质，所述育苗基质包括煤矸石基质、水热碳化溶液和化学肥料。本发明中，所述育苗基质中有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别可达>40g/kg，>0.2mg/kg，>150mg/kg，>40mg/kg，>200mg/kg。本发明中，对所述肥料的种类没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的肥料即可。
需要说明的是，水热碳化溶液中含有丰富的有机物质，富含CHON元素，其含有的还原糖、乙酸和糠醛等有机物可为植物生长提供养料，可大量减少化学肥料的使用，节约成本，且环境友好无污染。
实施例1
将重金属检测合格、有机质含量为18％的煤矸石粉碎，并按照质量比为1:1:3将粒径<3mm、粒径3-6mm和粒径>6mm的比例进行混合，得到100g煤矸石混合颗粒。将200g粒径为1-5mm的玉米秸秆颗粒和400mL水加入型号为LF-5的水热反应釜中，以200℃/h的升温速率升温至200℃后，保温4h，自然冷却至室温后过滤，得到质量为60g的固体水热炭和水热碳化溶液。
表1为固体水热炭的元素分析结果，由表1可知本实施例得到的水热炭中C、O、N的比例分别达到59.7％、30％和1.1％，图2为本实施得到的水热炭的SEM图，图4为本实施例得到的水热炭的红外光谱图，从图2、图4中可以看出水热炭表面粗糙，具有很多微孔结构，同时表面富含大量酚、醇、酯等含氧官能团。
取山西潞安集团邻近农田土壤40g，按照煤矸石混合颗粒：水热炭：土壤的质量比例为50:30:20进行混合，得到基质化煤矸石。
表2为水热碳化溶液的检测结果，由表2可知本实施例得到的水热溶液中含有丰富的糠醛和糖类等有机物质。将水热碳化溶液与得到的基质化煤矸石按照质量比为1:1进行混合，得到黑麦草育苗基质，该育苗基质中有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别可达40g/kg，0.3mg/kg，165mg/kg，47mg/kg，219mg/kg。
实施例2
将重金属检测合格、有机质含量为18％的煤矸石粉碎，并按照质量比为1:1:3将粒径<3mm、粒径3-6mm和粒径>6mm的比例进行混合，得到130g煤矸石混合颗粒。将100g粒径为1-5mm的玉米秸秆颗粒和150mL水加入型号为LF-5的水热反应釜中，以180℃/h的升温速率升温至240℃后，保温6h，自然冷却至室温后过滤，得到质量为30g的固体水热炭和水热碳化溶液。
由表1可知本实施例得到的水热炭中C、O、N的比例分别达到64.2％、25.8％和1.2％，图3为本实施得到的水热炭的SEM图，图4为本实施例得到的水热炭的红外光谱图，从图3、图4中可以看出水热炭表面粗糙，具有很多微孔结构，同时表面富含大量酚、醇、酯等含氧官能团。
取山西潞安集团邻近农田土壤40g，按照混合煤矸石：水热炭：土壤的质量比例为65:15:20进行混合，得到基质化煤矸石。
由表2可知本实施例得到的水热溶液中含有丰富的糠醛和糖类等有机物质。将水热碳化溶液与得到的基质化煤矸石按照质量比为1.5:1进行混合，并添加质量分数为0.4％的三元肥料，得到生菜育苗基质。
表1固体水热炭的元素分析结果
表2水热溶液有机组分分析
将上述实施例制备的生菜育苗基质与普通土壤基质进行比较，由于煤矸石基质中能够提供植物生长所需的适合容重，有利于植物根生长，保水性也相对于普通土壤基质要好，普通土壤基质需要1～2天浇一次水；而本实施例中的育苗基质能达到2～3天浇一次水。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到细、中、粗三种不同粒度的煤矸石颗粒，并按照一定比例将不同粒度颗粒混合；
2)将生物质粉碎，得到粒度为1-5mm的生物质颗粒；
3)将步骤2)得到的生物质颗粒与水按照1：1-5的质量比混合，然后加入高压水热反应釜中，升温至180-260℃，保温2-6h，自然冷却至室温得到水热碳化反应产物；
4)将步骤3)得到的水热产物进行固液分离，得到固体水热炭和水热碳化溶液；
5)将步骤1)得到的不同粒度煤矸石混合颗粒、步骤4)得到的水热炭和土壤按照一定的比例混合，搅拌均匀，得到基质化煤矸石。
2.根据权利要求1所述的一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，步骤1)中细颗粒的粒径<3mm，中颗粒的粒径3-6mm，粗颗粒的粒径>6mm。
3.根据权利要求1所述的一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，步骤1)中细颗粒、中颗粒、粗颗粒的混合比例为1:1:3。
4.根据权利要求1所述的一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述生物质颗粒与水的混合比例为1：2-3。
5.根据权利要求1所述的一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，步骤3)中升温速率为150-200℃/h。
6.根据权利要求1所述的一种基质化煤矸石的制备方法，其特征在于，步骤5)中不同粒度煤矸石混合颗粒、水热炭和土壤的质量比为40-65:15-45:15-20。
7.一种育苗基质，其特征在于，包括权利要求1制备的基质化煤矸石和水热碳化溶液。
8.根据权利要求7所述的育苗基质，其特征在于，所述育苗基质还包括化学肥料。
9.根据权利要求7或8所述的育苗基质，其特征在于，所述育苗基质中有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为>40g/kg，>0.2mg/kg，>150mg/kg，>40mg/kg，>200mg/kg。
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