CN111264113A - 荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法 - Google Patents

荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法，所述改性粉煤灰材料通过将粉煤灰与硫酸溶液进行中和反应，一方面将粉煤灰中的砷、镉、铅等重金属元素在酸性环境下溶出、脱除，使得粉煤灰中重金属污染物含量大幅下降，从而可以安全地、大量地用于荒漠化土地改造；另一方面通过硫酸溶液对粉煤灰进行改性，粉煤灰中的氧化钙与硫酸反应生成硫酸钙沉积物附着于粉煤灰颗粒表面，使得粉煤灰透水性下降，提高其保水能力；本发明提供的用于荒漠化土地改造用复合材料中，含有上述荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料；在荒漠化土地的改造方法中使用了上述的改性粉煤灰材料或复合材料，具有材料低污染、保水性好及改造效果佳等优点。

Description

荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法
技术领域
本发明公开涉及荒漠化土地改造的技术领域，尤其涉及一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法。
背景技术
土地的荒漠化是缺水地区一直面临的严峻问题，对于荒漠化土地的改造方式通常包括：引水灌溉、种植植物改良土壤，以及在土壤中添加材料以改变其物理、化学性质或结构。
将粉煤灰作为土壤改良材料的做法早有先例，现有技术主要采用直接掺加粉煤灰法，即：将粉煤灰与土壤及其他物质按一定比例混合，使得土壤疏松从而改善植物生长条件。
但上述直接掺加粉煤灰法存在以下问题：1)粉煤灰碱性较强，且通常其砷、镉、铅等重金属含量较高，如果大量进入土壤则极易造成难以承受的环境污染，这导致目前粉煤灰只能以小掺加量的形式用于土壤改良，举例来看，目前《农用粉煤灰中污染物控制标准》(GB8173-87)就明确规定“每亩土地累计施用量不得大于30t”，按每亩土地耕作层厚度60cm、土壤容重1.6t/m3计算，每亩土地耕作层土壤总质量约640t，而其中最多允许掺加的粉煤灰量其掺加比例仅为4.7％；2)粉煤灰透水性强，保水性能差，只能适用于粘质土壤的改造，如果施加进入干旱地区的砂质土壤，则必然导致土壤进一步干涸，无法起到对荒漠化环境改造有益的作用。
综上，由于现有直接掺加粉煤灰法，存在污染环境的风险，而无法在土壤改良中以大掺加量的方式使用，且由于透水性强、保水性能差，尤其不适合荒漠化土地改造使用。因此，如何利用粉煤灰研发一种适用于荒漠化土地改造用材料成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法，以至少解决现有直接掺加粉煤灰进行荒漠化土地改造的方法所存在的：易污染环境、无法在土壤改良中以大掺加量方式加入、透水性强及保水性差等问题。
本发明一方面提供了一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，该改性粉煤灰材料按如下步骤制备而成，具体如下：
1)酸浸：将粉煤灰与酸溶液混和，进行中和反应，直至反应后溶液的pH值小于7；
2)固液分离：将步骤1)中反应后的混合物采用机械分离方式进行固液分离，得分离后的粉煤灰以及分离后的酸溶液；
3)漂洗：将步骤2)中分离后的粉煤灰采用清水漂洗后，再次采用机械分离方式进行固液分离，得漂洗溶液以及改性粉煤灰；
所述酸溶液中含有硫酸溶液。
优选，步骤2)以及步骤3)中所述机械分离方式为重力沉降分离、离心、真空抽滤或压滤中的一种。
进一步优选，将步骤2)中分离后的酸溶液和步骤3)中的漂洗溶液均作为步骤1)中的酸溶液进行循环使用。
进一步优选，将部分步骤1)中的酸溶液、步骤2)中分离后的酸溶液和/或步骤3)中的漂洗溶液中加入Ca(OH)2和/或丹宁酸后，使得溶液中的重金属(砷、镉等)、稀散金属(锗、镓)形成沉淀物，进行固液分离，将分离后的液体再次加入步骤1)中的酸溶液中进行循环使用。
本发明另一方面还提供了一种用于荒漠化土地改造用复合材料，该复合材料由改性粉煤灰材料以及掺加物组成；
所述改性粉煤灰材料为上述的改性粉煤灰材料，且按重量百分比计，所述改性粉煤灰材料的含量大于等于50％。
优选，所述掺加物为无机肥、有机肥、腐殖酸、聚丙烯酰胺、破碎的秸秆、沙土或金属矿选矿尾砂中的一种或多种。
此外，本发明还提供了一种荒漠化土地的改造方法，所述改造方法具体为：在荒漠化土地铺设保水层，在所述保水层的上表面覆盖土、砂层；
所述保水层的组成成分为上述改性粉煤灰材料或用于荒漠化土地改造用复合材料。
优选，所述保水层的厚度为0.1-5m；所述土、砂层的厚度为0.1-5m。
本发明提供的荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，通过将粉煤灰与硫酸溶液进行中和反应，一方面将粉煤灰中的重金属元素(砷、镉、铅等)、稀散元素(锗或镓)以及铝元素在酸性环境下溶出，从粉煤灰固相中脱除，溶出的金属元素以沉淀物的形式富集、回收，不仅回收资源，而且减少对环境的污染，从而可大幅度增加粉煤灰在进行荒漠化土地改造中的用量；另一方面通过硫酸溶液对粉煤灰进行改性，粉煤灰中的氧化钙与硫酸反应生成硫酸钙沉积物附着于粉煤灰颗粒表面，使得粉煤灰透水性下降，提高其保水能力，进而有效解决以往直接掺加粉煤灰进行荒漠化土地改造的方法所存在的：污染环境、无法在土壤改良中以大掺加量方式加入、透水性强及保水性差等问题。
本发明提供的用于荒漠化土地改造用复合材料中，含有上述荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料及掺加物，其养分、持水性、抗剪切能力、抗侵蚀能力等物化性质随掺加物的不同而相应改变，而在荒漠化土地的改造方法中使用上述的复合材料，可以满足各种具体使用环境的不同需求。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
具体实施方式
下面结合具体实施方案对本发明进行进一步的说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。
为解决现有直接掺加粉煤灰进行荒漠化土地改造的方法所存在的：污染环境、无法在土壤改良中以大掺加量方式加入、透水性强及保水性差等问题。本实施方案提出了一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料及改造方法，改性粉煤灰材料、复合材料中不仅重金属含量降低，碱性降低，而且改性后的粉煤灰的保水性也得到了大幅度的提升，进而使改造后的荒漠化土地更适于植物的生长，以下为上述材料的制备方法：
1)酸浸：将粉煤灰与酸溶液混和，进行中和反应，直至反应后溶液的pH值小于7，其中，酸溶液中含有硫酸溶液，该步骤通过硫酸溶液的加入，使得粉煤灰中重金属元素(砷、镉、铅等)、稀散元素(锗或镓)以及铝元素在酸性环境下溶出，溶入到溶液中，而且硫酸溶液与粉煤灰中氧化钙反应后生成的硫酸钙会附着于粉煤灰颗粒表面，使得粉煤灰透水性下降，保水性提升；
2)固液分离：将步骤1)中反应后的溶液采用机械分离方式进行固液分离，得分离后的粉煤灰，通过固液分离的方式，将溶入到溶液中的砷、镉、铅等其他重金属元素以及铝等金属元素彻底从固相的粉煤灰中脱除；
3)漂洗：将步骤2)中分离后的粉煤灰采用清水漂洗后，再次采用机械分离方式进行固液分离，得漂洗溶液和改性粉煤灰，通过漂洗步骤可将残留在粉煤灰表面的酸性溶液漂洗掉，避免影响土地改造使用。
其中，上述步骤1)中的酸溶液理论上可以仅选用硫酸，也可选用硫酸与草酸、柠檬酸或其他酸组成的混合酸，其中，具体添加的酸性成分可根据实际情况进行选择，例如，为了提高粉煤灰中砷或其他重金属元素的溶出率，可在硫酸中加入草酸。
上述步骤2)以及步骤3)中所述机械分离方式可选用任意形式，只要能够实现固液分离的目的即可，例如：重力沉降分离、离心、真空抽滤或压滤中的一种。
为了节约酸溶液的使用量，降低改性粉煤灰的制备成本，优选将步骤2)中分离后的酸溶液和步骤3)中的漂洗溶液均作为步骤1)中的酸溶液进行循环使用。
由于粉煤灰发生中和反应后的酸溶液中富集了大量的砷及其他重金属元素，也含有铝、锗、稼等有价元素，为避免酸溶液循环过程导致元素过度累积，作为技术方案的改进，将部分步骤1)中的酸溶液、步骤2)中分离后的酸溶液和/或步骤3)中的漂洗溶液中加入Ca(OH)2、丹宁酸或其他化学药剂后，使得溶液中重金属(砷、镉等)、稀散金属(锗、镓)与化学药剂反应形成沉淀物，进行固液分离后，上述沉淀物由酸溶液中脱出、回收，将分离后的液体再次加入步骤1)中的酸溶液中进行循环使用。
基于上述实施方案中改性粉煤灰材料的研发，本实施方案提供了一种用于荒漠化土地改造用复合材料，该复合材料通过在改性粉煤灰材料中混合掺加其他用于改善养分以及抗剪切、抗侵蚀能力的掺和物组成，掺和物的质量(干基)应小于改性粉煤灰材料质量(干基)，掺和物可以为：无机肥、有机肥、腐殖酸、聚丙烯酰胺(PAM)、破碎的秸秆或其他富含纤维的植物、沙土、金属矿选矿尾砂等物料。
上述复合材料中，掺和物的加入量，根据需要改善复合材料养分以及抗剪切、抗侵蚀能力参数的具体情形进行确定，例如：可以采取添加钾肥、氮肥、磷肥等化肥或由禽畜粪便、沼液及其残渣、生化污泥构成的有机肥料以改善复合材料的养分，可以采取添加PAM或粉碎的秸秆以增强复合材料的抗剪切抗侵蚀能力，可以通过加入沙土的方式调整复合材料的孔隙度、疏松程度与透气性。
基于上述用于荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料、复合材料，本实施方案提供了一种荒漠化土地的改造方法，该改造方法具体为：在荒漠化土地铺设保水层，在保水层的上表面覆盖土、砂层，其中，保水层的组成成分为上述实施方案中提供的用于荒漠化土地改造用的改性粉煤灰材料或复合材料。
上述的改造方法中，通过铺设保水层用于吸收并蓄积地表下渗水，并尽可能阻隔地表下渗水不向保水层下部渗透，而在保水层上表面的土、砂层，可在保水层上表面与地表面之间构造孔隙率较大的疏松层，以减少保水层直接暴露在空气中形成强烈蒸发、保水层因强烈的毛细作用向地表输送水分并蒸发等因素导致的保水层水分流失从而实现荒漠化土地的改造，使其适于植物的生长，其中，优选，保水层的厚度为0.1-5m；土、砂层的厚度为0.1-5m。
为了验证上述实施方案中改性粉煤灰材料的实际性能，将内蒙某地粉煤灰分别进行改性前和改性后的性能实验，具体如下：
改性前：干态粉煤灰与水按固液比1:2混合，释放并流失重力水4h后，湿粉煤灰含水率(质量比)为35.3％；上述湿粉煤灰自然堆积时，测得其渗透系数为7.46×10-2cm/s；取体积为12.57升的改性前的湿粉煤灰，将其置于竖直放置的直径20cm、高度40cm、下端封闭上端敞口的PVC材质管中，此时湿粉煤灰充满PVC管内部空间、上表面与PVC管上端口持平，在温度25℃、相对湿度35％的室内条件下放置15d(360小时)，湿粉煤灰含水率(质量比)由35.3％下降至21.7％，水分蒸发损失量达到49.2％。
改性后：采用10％硫酸按固液质量比1:3对粉煤灰进行时长2h的酸浸、固液分离、清水漂洗、再次固液分离，形成改性粉煤灰材料(湿态)，释放并流失重力水4h后，湿粉煤灰含水率(质量比)为42.7％，较改性前提高7.4％；上述湿态改性粉煤灰材料自然堆积时，测得其渗透系数为1.66×10-4cm/s，渗透系数较改性前大幅下降，仅为改性前渗透系数的0.22％；取同样体积为12.57升的改性粉煤灰材料(湿态)，将其置于竖直放置的直径20cm、高度60cm、下端封闭上端敞口的PVC材质管中，形成高度40cm的改性粉煤灰材料(湿态)柱体，在其上表面覆盖20cm高的细砂、使细砂覆盖层上表面与PVC管上端口持平，在温度25℃、相对湿度35％的室内条件下放置15d(360小时)，湿粉煤灰含水率(质量比)由42.7％下降至39.6％，水分蒸发损失量12.0％，较改性前粉煤灰水分蒸发损失量(49.2％)大幅下降。
由实验结果总结：所形成的改性粉煤灰材料与改性前的粉煤灰相比较，能蓄积更多的水分且具有更低的渗透系数，是良好的保水材料，且当形成下部铺设改性粉煤灰材料保水层、上部覆盖砂层的结构后，改性粉煤灰材料保水层水分蒸发损失速度大幅下降。由此可见，本申请研发的改性粉煤灰材料、改造方法在使用中能够实现较好的蓄积水分、防止水分下渗损失、防止水分大量蒸发损失的效果，是适用于荒漠化土地改造的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，其特征在于，所述改性粉煤灰材料按如下步骤制备而成，具体如下：
1)酸浸：将粉煤灰与酸溶液混和，进行中和反应，直至反应后溶液的pH值小于7；
2)固液分离：将步骤1)中反应后的混合物采用机械分离方式进行固液分离，得分离后的粉煤灰以及分离后的酸溶液；
3)漂洗：将步骤2)中分离后的粉煤灰采用清水漂洗后，再次采用机械分离方式进行固液分离，得漂洗溶液以及改性粉煤灰；
所述酸溶液中含有硫酸溶液。
2.根据权利要求1所述荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，其特征在于，步骤2)以及步骤3)中所述机械分离方式为重力沉降分离、离心、真空抽滤或压滤中的一种。
3.根据权利要求1所述荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，其特征在于，将步骤2)中分离后的酸溶液和步骤3)中的漂洗溶液均作为步骤1)中的酸溶液进行循环使用。
4.根据权利要求3所述荒漠化土地改造用改性粉煤灰材料，其特征在于，将部分步骤1)中的酸溶液、步骤2)中分离后的酸溶液和/或步骤3)中的漂洗溶液中加入Ca(OH)2和/或丹宁酸后，生成沉淀物，通过固液分离，将分离后的液体再次加入步骤1)中的酸溶液中进行循环使用。
5.一种用于荒漠化土地改造用复合材料，其特征在于，所述复合材料由改性粉煤灰材料以及掺加物组成；
所述改性粉煤灰材料为权利要求1-4所述的改性粉煤灰材料，且按重量百分比计，所述改性粉煤灰材料的含量大于等于50％。
6.根据权利要求5所述用于荒漠化土地改造用复合材料，其特征在于，所述掺加物为无机肥、有机肥、腐殖酸、聚丙烯酰胺、破碎的秸秆、沙土或金属矿选矿尾砂中的一种或多种。
7.一种荒漠化土地的改造方法，其特征在于，具体为：在荒漠化土地铺设保水层，在所述保水层的上表面覆盖土、砂层；
所述保水层的组成成分为权利要求1-4所述的改性粉煤灰材料或权利要求5、6所述的复合材料。
8.根据权利要求7所述荒漠化土地的改造方法，其特征在于，所述保水层的厚度为0.1-5m；所述土、砂层的厚度为0.1-5m。
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