CN110776924B - 一种土壤重金属钝化剂及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤重金属钝化剂及其制备工艺,其包括以下重量百分比计组分制成:改性载体填料30‑40%;生物改良剂20‑24%;聚丙烯酸凝胶10‑14%;硅烷偶联剂3‑5%;分散剂1‑3%;去离子水余量。通过采用改性载体填料负载生物改良剂,并在在改性载体填料外包裹一层聚丙烯酸凝胶,使得重金属钝化剂具有的缓释效果,在使用钝化剂时,钝化剂可以根据外界的温度、pH值和光照等条件的变化,释放负载在填料里面的生物改良剂,从而使得在使用土壤重金属钝化剂时,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤修复的技术领域,尤其是涉及一种土壤重金属钝化剂及其制备工艺。
背景技术
土壤的重金属污染较为普遍,是目前我国面临的较为严重的问题,污染主要来自于农药、大气沉降、污水等,治理工艺分为工程治理措施和物理化学修复两大类。工程治理措施主要包括:客土、换土、去表土和深耕翻土等措施;物理化学修复主要包括固化/稳定、电动修复、络合淋洗、蒸汽浸提、氧化还原、农业修复、生物修复等。
现有的常用修复工程主要以水泥、石灰、石膏等水硬性材料作为稳定剂,而该类型材料添加到土壤后,需严格控制加入量,加入的量过多会导致土壤硬化和板结,对土壤造成二次伤害,因而不便于工人实际操作,降低了工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤重金属钝化剂及其制备工艺,使得在使用土壤重金属钝化剂时,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种土壤重金属钝化剂,包括以下重量百分比计组分制成:
通过采用上述技术方案,生物改良剂采用微生物配置得到,是一种对环境友好、绿色生态的重金属污染土壤修复剂,因此,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率。改性载体填料用以负载生物改良剂,使得重金属钝化剂具有的缓释效果。使得在使用钝化剂时,钝化剂可以根据外界的温度、pH值和光照等条件的变化,释放负载在填料里面的生物改良剂,从而使得在使用土壤重金属钝化剂时,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率。
聚丙烯酸凝胶,可以根据土壤的pH环境进行调节,提高土壤重金属钝化剂的利用率和长期稳定性。当外界的pH值呈酸性时,聚丙烯酸凝胶会很快收缩,生物改良剂从凝胶网络结构中被释放出来,并迅速向外扩散,从而对土壤中的重金属进行处理。当外界的pH值呈弱酸或弱碱性时,聚丙烯酸凝胶收缩较慢,使得生物改良剂释放速度变慢。当外界的pH值呈碱性时,聚丙烯酸凝胶中的羧基会失去氢离子,氢键作用减弱,且另外形成的负离子间的静电斥力增强,使得聚丙烯酸凝胶的亲水性增强,孔道畅通,使得聚丙烯酸凝胶的渗透性增强,从而便于与外界进行离子交换,从而对土壤中的重金属进行处理。
本发明进一步设置为:所述生物改良剂包括以下重量百分比计组分:
通过采用上述技术方案,黑曲霉可以吸附土壤中Cu、Cd、Pb、Zn等重金属离子;丛生菌根真菌可以提高植物吸收土壤中的Fe离子的量和效率;链霉菌可以吸附土壤中Cr离子;产氮假单胞菌可以吸附土壤中Cu、Zn、Ni等重金属离子;食酸代尔福特菌可以吸附土壤中Cd离子。
通过多种菌种复配使用,可以处理多种重金属,提高了钝化剂的实用性和工作效果。
营养剂可以提供给菌种生长所需的营养物质。
本发明进一步设置为:所述营养剂包括以下重量百分比计组分:
通过采用上述技术方案,蛋白胨内含有菌种生长繁殖所需要的多种成分,可以提供菌种生长繁殖所需的营养,加快菌种的生长繁殖速率。pH调节剂可以调节生物改良剂的pH值,达到平衡生物改良剂pH值的目的,提高菌种的存活率和生长繁殖速率。硫酸镁和氯化钠用以调节生物改良剂的的含盐浓度,防止菌种由于失水而失活,提高了菌种的存活率。
本发明进一步设置为:所述pH调节剂包括以下重量百分比计原料:
通过采用上述技术方案,磷酸二氢钾和磷酸氢二钾是常用的调节pH值缓冲液,具有良好的缓冲效果,用以稳定生物改良剂的pH值,提高菌种的存活率和生长繁殖速率。且柠檬酸钠、磷酸二氢钾和磷酸氢二钾还可以与重金属离子发生络合,提高钝化剂处理重金属的处理效果。同时,柠檬酸钠具有一定的还原性,可以将一些重金属还原成毒性较低的价态,提高钝化剂的处理效果。
碳酸氢钠在外界碱性较高时,可以将氢离子释放,用以调节生物改良剂的pH值,使得生物改良剂的pH值呈弱碱性,提高菌种的活性。且其还可以调节土壤的pH值,使得土壤的pH值呈碱性,用以稳定和钝化土壤中的重金属离子,提高钝化剂的处理效果。
本发明进一步设置为:所述改性载体填料包括以下重量百分比计组分制成:
通过采用上述技术方案,生物炭具有发达的孔隙结构,且其比表面积大和离子交换量高,能够高效的吸附重金属、多环芳炫和染料等多种污染物,生物炭中的可溶无机盘类能与离子发生沉淀作用,是一种良好的环境吸附剂。同时,生物炭是生物质能原料经热裂解之后的产物,因此,其不仅含有加高的碳分子,还含有其他一定量的对生物生长所需的营养物质,可提高土壤的肥沃度,以及给予菌种生长繁殖所需的营养物质。
阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂用以对生物炭进行改性,降低改性载体填料生物改良剂之间界面张力,提高生物改良剂在生物炭上的附着量和附着牢固度,从而提高钝化剂的处理效果。同时,可以降低改性载体填料与聚丙烯酸凝胶质之间界面张力,便于聚丙烯酸凝胶质在改性载体填料表面成膜。且表面活性剂可通过改变细胞膜结构増加膜的通透性,促使降解酶大量运输到细胞外发挥其催化作用,提高钝化剂的处理效果。
由于生物炭表面表面带有大量的负电荷和电荷密度,而生物炭具有良好的吸附重金属的作用,其表面的负电荷具有一定的作用,采用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂,使得在液态中游离出负电荷,从而使整个体系保持稳定,不易产生絮状沉淀,也不易出现分层的现象。
本发明进一步设置为:所述钝化剂中还包括以下重量百分比计组分制成:纳米钢纤维2-6%。
通过采用上述技术方案,纳米钢纤维与生物炭之间可形成原电池,产生微电流,对菌种产生轻微的刺激,提高了菌种的活性,从而提高了菌种的重金属的处理效果。且在电解过程中,纳米钢纤维会氧化生成Fe2+,Fe2+会氧化生成的Fe3+,Fe3+会生成聚合度大的Fe(OH)3胶体絮凝剂,Fe(OH)3胶体可以有效地吸附、凝聚土壤中的污染物,从而增强钝化剂对土壤的处理效果效果。
一种土壤重金属钝化剂的制备工艺,包括以下制备工艺:
S1:制备改性载体填料、生物改良剂;
S2:按比例将生物改良剂和改性载体填料混合均匀,然后在真空加压条件下浸泡20min后脱水,再将脱水后的混合物常温下烘干,最后研磨过筛,制得A混合物;
S3:按比例将纳米钢纤维、硅烷偶联剂、分散剂和去离子水混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再按比例加入聚丙烯酸凝胶,并在2000r/min条件下搅拌30min,制得第一混合液;
S4:将所述A混合物用第一混合液进行包裹造粒,制得土壤重金属钝化剂。
通过采用上述技术方案,步骤S2中,在真空加压条件下浸泡20min后脱水,提高生物改良剂在改性载体填料中的有效负载量,从而提高钝化剂的处理效果。
步骤S3中,先将纳米钢纤维、硅烷偶联剂、分散剂和去离子水混合,用以对纳米钢纤维进行改性,从而提高纳米钢纤维在聚丙烯酸凝胶中的分散性,以及纳米钢纤维与聚丙烯酸凝胶的结合力度。将纳米钢纤维混合在聚丙烯酸凝胶,使得纳米钢纤维可以包裹在改性载体填料外表面上,从而可以增强钝化剂的强度和使用寿命。且纳米钢纤维可以伸入改性载体填料的孔隙中,增加聚丙烯酸凝胶与改性载体填料之间的摩擦力和接触面积,从而提高聚丙烯酸凝胶和改性载体填料的结合牢固度。同时,使得纳米钢纤维与生物炭的接触面积只有生物炭的表面一层,从而使得纳米钢纤维与生物炭形成的原电池不会产生较大的电流,只会对菌种产生轻微的刺激,不会由于电流过大而影响菌种的活性,从而提高了菌种的重金属的处理效果。
本发明进一步设置为:所述改性载体填料包括以下制备工艺:按比例将去离子水、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再按比例加入生物炭,并在1500r/min条件下搅拌30min;最后将混合物常温下烘干,并研磨过筛,制得改性载体填料。
本发明进一步设置为:所述改性载体填料的粒径为100-300微米。
通过采用上述技术方案,便于生物改良剂附着在改性载体填料,且使得改性载体填料可以附着有较多的生物改良剂,提高钝化剂的处理效果。防止改性载体填料的粒径过大,导致钝化剂与土壤的接触面积减小,影响钝化剂的钝化效果;或者改性载体填料的粒径过小,导致改性载体填料无法负载有较多的生物改良剂,从而影响钝化剂的钝化效果。
本发明进一步设置为:所述步骤S4中制得的钝化剂的粒径为200-400微米。
通过采用上述技术方案,防止聚丙烯酸凝胶在改性载体填料的成膜厚度较厚或较薄,从而影响生物改良剂的缓释,从而影响钝化剂的钝化效果。
综上所述,本发明的有益技术效果为:
1、采用多种菌种复配得到生物改良剂,微生物对土壤的环境影响较小,且可以根据外界的因素,自动对外界的环境进行调节,是一种对环境友好、绿色生态的重金属污染土壤修复剂;
2、通过将生物改良剂负载在改性载体填料内,并在在改性载体填料外包裹一层聚丙烯酸凝胶,使得在使用钝化剂时,钝化剂可以根据外界的温度、pH值和光照等条件的变化,释放负载在填料里面的生物改良剂,从而使得在使用土壤重金属钝化剂时,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率;
3、通过加入有纳米钢纤维,纳米钢纤维与生物炭之间可形成原电池,产生微电流,对菌种产生轻微的刺激,提高了菌种的活性,从而提高了菌种的重金属的处理效果。且在电解过程中,纳米钢纤维会氧化生成Fe2+,Fe2+会氧化生成的Fe3+,Fe3+会生成聚合度大的Fe(OH)3胶体絮凝剂,Fe(OH)3胶体可以有效地吸附、凝聚土壤中的污染物,从而增强钝化剂对土壤的处理效果效果。
具体实施方式
实施例一:
本发明公开了一种土壤重金属钝化剂的制备工艺,包括以下制备工艺:
S1:制备改性载体填料:将51%的去离子水、3%的阴离子表面活性剂和6%的非离子表面活性剂混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再加入40%的生物炭,并在1500r/min条件下搅拌30min;最后将混合物常温下烘干,并研磨过筛,制得粒径为100微米的改性载体填料;
制备生物改良剂:将14%的黑曲霉、6%的丛生菌根真菌、6%的链霉菌、6%的产氮假单胞菌、6%的食酸代尔福特菌、40%的营养剂和22%的去离子混合均匀后,制得生物改良剂;
营养剂包括以下重量百分比计组分:30%的蛋白胨、40%的pH调节剂、6%的氯化钠、1%的硫酸镁和23%的去离子水;
pH调节剂包括以下重量百分比计原料:24%的磷酸二氢钾、20%的磷酸氢二钾、10%的柠檬酸钠、20%的碳酸氢钠和26%的去离子水;
S2:将20%的生物改良剂和40%的改性载体填料混合均匀,然后在真空加压条件下浸泡20min后脱水,再将脱水后的混合物常温下烘干,最后研磨过筛,制得A混合物;
S3:将2%的纳米钢纤维、3%的硅烷偶联剂、1%的分散剂和20%的去离子水混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再加入14%的聚丙烯酸凝胶,并在2000r/min条件下搅拌30min,制得第一混合液;
S4:将A混合物用第一混合液进行包裹造粒,制得粒径为200微米的土壤重金属钝化剂。
实施例2-5与实施例1的区别在于,土壤重金属钝化剂包括以下重量百分比计组分制成:
实施例6-9与实施例1的区别在于,所述生物改良剂包括以下重量百分比计组分:
实施例10-13与实施例1的区别在于,所述营养剂包括以下重量百分比计组分:
实施例14-17与实施例1的区别在于,所述pH调节剂包括以下重量百分比计原料:
实施例18-21与实施例1的区别在于,所述改性载体填料包括以下重量百分比计组分制成:
实施例22-25与实施例1的区别在于,改性载体填料和土壤重金属钝化剂的粒径如下表所示:
对比例:
对比例1与实施例1的区别在于,土壤重金属钝化剂中不包括纳米钢纤维;
对比例2与实施例1的区别在于,重金属钝化剂采用熟石灰粉。
实验一:
将实施例1和对比例1-2中制得的重金属钝化剂与土壤按照3种不同比例进行均匀混合为实验组,钝化剂与土壤重量比分别为1:20,1:30,1:40,以不加钝化剂的污泥为空白对照,处理1个月后,分别检测钝化剂处理后的土壤和空白对照的土壤中的重金属浓度;然后将长势相同、高度相同的12棵拟南芥栽分别种至不同实验组和空白对照组的盆子中,生长六个月后,观察不同实验组和空白对照组中拟南芥的生长状况,实验结果见表1-3。
表1:
表2:
表3:
在表1中,钝化剂与土壤重量比为1:20时,植物生长的最好,枝叶最茂盛,6各月内长高了2.1cm;其次为钝化剂与土壤重量比为1:30时,植物6各月内长高了1.9cm;最后为钝化剂与土壤重量比为1:40时,植物6各月内长高了1.7cm。
在表2中,钝化剂与土壤重量比为1:20时,植物生长的最好,枝叶最茂盛,6各月内长高了1.3cm,但较于表1中钝化剂与土壤重量比为1:20时的植物的生长状况较差;其次为钝化剂与土壤重量比为1:30时,植物6各月内长高了1.1cm;最后为钝化剂与土壤重量比为1:40时,植物6各月内长高了1.0cm。
在表3中,钝化剂与土壤重量比为1:20时,植物在种下去1个月后死亡,且发现植物枝叶大部分脱落并变黄,同时发现植物的根系大部分坏死;钝化剂与土壤重量比为1:30时,植物生长的最好,枝叶最茂盛,6各月内长高了0.5cm,但较于表1和表2中钝化剂与土壤重量比为1:30时的植物的生长状况较差;钝化剂与土壤重量比为1:40时,在种下去2个月后死亡,且发现植物枝叶大部分脱落并变黄。
因此,通过表1和表2中的数据对比可知,加入有纳米钢纤维,可增强钝化剂对土壤的处理效果效果。
通过表1和表3数据比较可知,本发明制得的重金属钝化剂具有很好的钝化土壤中重金属的效果,且在使用土壤重金属钝化剂时,无需担心钝化剂加入量过多,造成对土壤造成二次伤害,影响植物的生长,从而便于工人实际应用土壤重金属钝化剂,提高了工作效率。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,故:凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种土壤重金属钝化剂,其特征在于:包括以下重量百分比计组分制成:
改性载体填料 30-40%;
生物改良剂 20-24%;
聚丙烯酸凝胶 10-14%;
硅烷偶联剂 3-5%;
分散剂 1-3%;
纳米钢纤维 2-6%;
去离子水 余量;
所述改性载体填料包括以下重量百分比计组分制成:
生物炭 40-44%;
阴离子表面活性剂 3-7%;
非离子表面活性剂 2-6%;
去离子水 余量;
土壤重金属钝化剂的制备工艺,包括以下步骤:
S1:制备改性载体填料、生物改良剂;
S2:按比例将生物改良剂和改性载体填料混合均匀,然后在真空加压条件下浸泡20min后脱水,再将脱水后的混合物常温下烘干,最后研磨过筛,制得A混合物;
S3:按比例将纳米钢纤维、硅烷偶联剂、分散剂和去离子水混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再按比例加入聚丙烯酸凝胶,并在2000r/min条件下搅拌30min,制得第一混合液;
S4:将所述A混合物用第一混合液进行包裹造粒,制得土壤重金属钝化剂。
2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属钝化剂,其特征在于:所述生物改良剂包括以下重量百分比计组分:
黑曲霉 10-14%;
丛生菌根真菌 6-10%;
链霉菌 6-10%;
产氮假单胞菌 6-10%;
食酸代尔福特菌 6-10%;
营养剂 30-40%;
去离子水 余量。
3.根据权利要求2所述的一种土壤重金属钝化剂,其特征在于:所述营养剂包括以下重量百分比计组分:
蛋白胨 30-40%;
pH调节剂 30-40%;
氯化钠 6-10%;
硫酸镁 0.6-1%;
去离子水 余量。
4.根据权利要求3所述的一种土壤重金属钝化剂,其特征在于:所述pH调节剂包括以下重量百分比计原料:
磷酸二氢钾 20-24%;
磷酸氢二钾 16-20%;
柠檬酸钠 10-14%;
碳酸氢钠 16-20%;
去离子水 余量。
5.根据权利要求1所述的一种土壤重金属钝化剂的制备工艺,其特征在于:所述改性载体填料包括以下制备工艺:按比例将去离子水、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂混合,然后在35℃和1000r/min条件下搅拌20min;再按比例加入生物炭,并在1500r/min条件下搅拌30min;最后将混合物常温下烘干,并研磨过筛,制得改性载体填料。
6.根据权利要求5所述的一种土壤重金属钝化剂的制备工艺,其特征在于:所述改性载体填料的粒径为100-300微米。
7.根据权利要求6所述的一种土壤重金属钝化剂的制备工艺,其特征在于:所述步骤S4中制得的钝化剂的粒径为200-400微米。
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