CN110711768A - 一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体及其应用 - Google Patents

一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体及其应用 Download PDF

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杨生茂
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刘玉学
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Abstract

本发明为一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体及其应用，具体步骤为：将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.1～0.5：5～15；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量小于20％的褐色或黑色的有机无机复合体。其中所述生物质材料是指粒径小于2mm的任何含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料是指粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物蒙脱石或伊利石或两者任意比例的组合。上述有机无机复合体可应用于多种破碎或污染土壤的修复。

Description

一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体及其应用
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体及其应用。
背景技术
水土流失、瘠薄化、荒漠化等土壤退化问题已成为我国农业持续发展的关键问题之一。中国国土资源部2014年6月24日发布的《土地整治蓝皮书》指出，中国耕地受到中、重度污染的面积约5000万亩，很多地区土壤污染严重，特别是大城市周边、交通主干线及江河沿岸的耕地重金属和有机污染物严重超标，造成食品安全等一系列问题。据测算，当前每年受重金属污染的粮食高达1200万吨，相当于4000万人一年的口粮。而中国土地盐碱化、沙化面积达20.25亿亩，水土流失面积达53.4亿亩。在自然生态环境退化的同时，矿山开发、生产建设每年仍在造成大量土地损毁和废弃，因此，土地整治和修复已成为我国目前保护生态环境、提升利用效率、保障土地可持续利用重要任务。
其中土壤有机无机复合体是土壤营养的供给源，是形成土壤结构的结构基础，是固持重金属及有机污染物的载体。土壤有机无机复合体是普遍存在的土壤胶体，是决定土壤物理、化学及生物性质的主要物质基础，而且在土壤肥力特性中具有重要作用。鉴于有机无机复合体的小颗粒尺寸，对外来物质的吸附能力，包括金属，氮和磷酸盐，可能不同于具有特定的比表面积和孔隙结构的其他土壤成分。对于重金属和有机无机复合体之间反应对土壤的修复具有重要意义。影响吸附过程的主要因素包括金属物种形成和浓缩，接触时间，温度和pH值。pH值是最重要的环境因素，其对化学形态和重金属溶解度有着十分重要的影响。通过土壤中复合体吸附污染土壤的方法至今还未有重大研究进展。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体，其特征在于，以生物质材料和粘土矿物材料，在水分含量、温度和压力条件下开展裂解反应，得到的有机无机复合体。
作为优选，所述生物质材料是指粒径小于2mm的任何含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料是指粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物蒙脱石或伊利石或两者任意比例的组合。
本发明的第二个目的是提供一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的制备方法，首先将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.1～0.5：5～15；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量小于20％的褐色或黑色的有机无机复合体。
作为优选，所述的反应釜中水的温度为180-300℃，反应时间为30-120min，搅拌转速为50～300r·min-1。
本发明的第三个目的是提一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的应用，将上述得到的固态的有机无机复合体用作土壤退化修复材料，可应用于酸化、贫瘠化、盐碱化和重金属污染等土壤的修复中。
作为优选，粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的应用，按100-500公斤每亩掺入到需要修复的土层中。
本发明的优点为：
1、本发明在水热高温裂解过程中引入2:1型层状硅酸盐粘土矿物蒙脱石或伊利石，这两种矿质材料具有的Lewis/Bronsted酸性位对生物质材料炭化过程中异构化、芳香化及聚合缩合等反应都具有催化作用，使高温裂解生成的有机质表面活性基团更丰富基团(如酚羟基、羧基、醛基)，反应时间缩短，生成效率提高；
2、在反应过程中应用生成富碳的有机物质能同矿物质很好地结合，形成可用于土壤环境修复的有机无机复合体；
3、采用蒙脱石或伊利石作为催化剂可以同时达到以下目的：(1)提高养分和水分的保存的能力；(2)会提高生物质的水热炭化效率，减少生产时间和成本；(3)产品具有多功能，可应用于多种破碎或污染土壤的修复。
具体实施方式
实施例1：首先将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.2：10；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量15％的褐色或黑色的有机无机复合体。其中反应釜中水的温度为200℃，反应时间为80min，搅拌转速为150r·min-1。所述生物质为粒径小于2mm的含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料为粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物蒙脱石。
将上述得到的固态的有机无机复合体用作土壤退化修复材料，可应用于酸化、贫瘠化、盐碱化和重金属污染等土壤的修复中。按250公斤每亩掺入到需要修复的土层中。
实施例2：首先将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.3：14；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量15％的褐色或黑色的有机无机复合体。其中反应釜中水的温度为250℃，反应时间为100min，搅拌转速为200r·min-1。所述生物质为粒径小于2mm的含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料为粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物伊利石。
将上述得到的固态的有机无机复合体用作土壤退化修复材料，可应用于酸化、贫瘠化、盐碱化和重金属污染等土壤的修复中。按250公斤每亩掺入到需要修复的土层中。
实施例3：首先将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.5：15；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量15％的褐色或黑色的有机无机复合体。其中反应釜中水的温度为300℃，反应时间为100min，搅拌转速为300r·min-1。所述生物质为粒径小于2mm的含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料为粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物蒙脱石和伊利石按照1:1的比例混合得到的组合。
将上述得到的固态的有机无机复合体用作土壤退化修复材料，可应用于酸化、贫瘠化、盐碱化和重金属污染等土壤的修复中。按400公斤每亩掺入到需要修复的土层中。
上述实施例得到的修复土壤进行检测，其养分和水分的保存能力均高于现有的土壤修复剂，且检测得到1g的有机无机复合体与铅镉溶液混合，测得对铅的最大吸附量为3mg，对镉的最大吸附量为20mg。
以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体，其特征在于，以生物质材料和粘土矿物材料，在水分含量、温度和压力条件下开展裂解反应，得到的有机无机复合体。
2.根据权利要求1所述的一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体，其特征在于，所述生物质材料是指粒径小于2mm的任何含纤维素含量大于10％的生物质材料；粘土矿物材料是指粒径小于0.3mm的2:1型粘土矿物蒙脱石或伊利石或两者任意比例的组合。
3.一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的制备方法，其特征在于，首先将生物质、粘土矿物材料和水混合，其中生物质干基重量、粘土矿物材料和水的重量比为1：0.1～0.5：5～15；再将上述混合材料放在带有搅拌功能的密闭反应釜中加热炭化；反应终止后，冷却产物，将反应釜中产物进行固液分离，固相产物经干燥后得到含水量小于20％的褐色或黑色的有机无机复合体。
4.根据权利要求3所述的一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的制备方法，其特征在于，所述的反应釜中水的温度为180-300℃，反应时间为30-120min，搅拌转速为50～300r·min-1。
5.一种利用粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的应用，其特征在于，将上述得到的固态的有机无机复合体用作土壤退化修复材料，可应用于酸化、贫瘠化、盐碱化和重金属污染等土壤的修复中。
6.根据权利要求5所述的粘土矿物催化裂解生成的有机无机复合体的应用，其特征在于，按100-500公斤每亩掺入到需要修复的土层中。
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