CN113088290A

CN113088290A - 一种镉污染土壤修复用生物质炭及其制备方法和***

Info

Publication number: CN113088290A
Application number: CN202110539941.2A
Authority: CN
Inventors: 李坤权; 闵炳坤; 曾少毅; 赵广欣; 刘平
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: CN113088290B

Abstract

本发明公开了一种镉污染土壤修复用生物质炭及其制备方法和***，其修复***包括重金属固定机构、温室机构、恒温水循环机构和控制机构；重金属固定机构包括主箱体以及在主箱体内自下而上设置的恒温储水窖、吸水基质层、污染土壤贮存层和生物质炭固定层，吸水基质层由镉污染土壤修复用生物质炭以及硅藻土复混构成；温室机构包括温室箱体、基质材料层以及观赏植物；恒温水循环机构包括恒温水箱、连接恒温水箱和恒温储水窖的进水管、以及连接温室箱体和恒温水箱的冷凝管；控制机构能够控制恒温水循环机构为恒温储水窖提供恒温水。本发明能充分浸润、解离污染土壤层的镉，并被生物质炭吸附、固定去除，有利于镉污染土壤的高效修复。

Description

一种镉污染土壤修复用生物质炭及其制备方法和***

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种镉污染土壤修复用生物质炭及其制备方法和***。

背景技术

随着工农业生产和经济社会的不断发展，农田土壤重金属与塑化剂类有机物污染日趋突出。中国科学院研究指出，我国粮食主产区耕地土壤重金属污染呈上升趋势，近20年点位超标率从7.16%增加至21.49%，部分矿区附近污染耕地超标率甚至重达93.75%。

传统的镉污染土壤修复一般采用冲洗土壤或化学试剂淋洗的方式，虽然有一定的修复效果，但是其缺点显著。如：公布号为CN 111790742 A的发明专利申请公开了一种农田土壤镉污染修复装置，采用冲洗土壤的方式修复，泥土沾水后变粘稠、易结块，影响冲洗难度和效果，同时冲洗土壤会破坏土壤结构、造成土壤营养元素流失，并且冲洗土壤需要消耗大量水资源造成净化成本增加，部分土壤还会随水流流失影响修复效果。如：公布号为CN104226680 A的发明专利公开了一种镉污染土壤的修复装置，采用化学淋洗的方式修复，易造成化学试剂残留，造成突然的二次污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种镉污染土壤修复用生物质炭及其制备方法和***，能充分浸润、解离污染土壤层的镉，并被生物质炭吸附、固定去除，有利于镉污染土壤的高效修复。

本发明提供了如下的技术方案：

一种镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，包括以下步骤：

将农业生物质棉秆粉加入去离子水中，搅拌均匀后滴加浓磷酸，经超声浸渍、加热搅拌、粉碎和过筛后，得到预处理秸秆粉料；

将预处理秸秆粉料和三聚氰胺混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中进行碳化，冷却，得到镉污染土壤修复用生物质炭。

进一步的，所滴加的浓磷酸的质量分数为82~87%，在超声波中振荡浸渍25~35min，再加热至140~160℃下搅拌反应11~13h得到固体反应物，所述固体反应物经粉碎后过40~60目筛。

进一步的，所述预处理秸秆粉料和三聚氰胺按（23~25）：（5~7）的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化1~2h，再升温至900℃，气氛更换为氨气，碳化1~3h，停止通入氨气；再通入氮气，冷却降温至室温。

一种镉污染土壤修复用生物质炭，采用所述的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法制备获得。

一种镉污染土壤修复***，包括重金属固定机构、温室机构、恒温水循环机构和控制机构；

所述重金属固定机构包括主箱体以及在主箱体内自下而上依次设置的恒温储水窖、吸水基质层、污染土壤贮存层和生物质炭固定层，所述吸水基质层由所述的镉污染土壤修复用生物质炭以及硅藻土复混构成；

所述温室机构包括与主箱体相连的温室箱体、设于温室箱体内的基质材料层以及生长于基质材料层上的观赏植物，所述基质材料层设于生物质炭固定层上方；

所述恒温水循环机构包括恒温水箱、连接恒温水箱和恒温储水窖的进水管、以及连接温室箱体和恒温水箱的冷凝管；

所述控制机构与恒温水循环机构相连，且能够控制恒温水循环机构为恒温储水窖提供恒温水。

进一步的，所述吸水基质层中粉状的生物质炭和硅藻土的质量比为（3~5）：（7~5）；

所述污染土壤贮存层的高度为30~50cm，所述污染土壤贮存层对应的主箱体侧壁设有第一开口，且第一开口处设置第一移门；

所述生物质炭固定层的高度为10~30cm，所述生物质炭固定层对应的主箱体侧壁设有第二开口，且第二开口处设置第二移门。

进一步的，所述恒温储水窖和吸水基质层之间设置隔层一，所述吸水基质层和污染土壤贮存层之间设置隔层二，所述污染土壤贮存层和生物质炭固定层之间设置隔层三，所述生物质炭固定层与基质材料层之间设置隔层四；所述隔层一、隔层二、隔层三和隔层四的主体为不锈钢骨架，且骨架内填充有抗老化、耐腐蚀、透气透水材料。

进一步的，所述恒温水箱一侧壁设有与进水管相连的出水口，另一侧壁设有补水口；所述恒温水箱内设有电加热丝和温度传感器，所述进水管设有水流控制阀，所述电加热丝、温度传感器和水流控制阀分别与控制机构相连。

进一步的，还包括设于温室箱体上部的除湿机构，所述除湿机构包括与控制机构分别相连的排湿风机、送风机和湿度传感器；所述温室箱体上部侧壁设有与冷凝管相连的除湿口，所述湿度传感器安装于除湿口下方，所述排湿风机的出口端与除湿口相连，所述送风机能够将室外空气送入温室箱体。

进一步的，还包括蓄电池以及与蓄电池相连的太阳能电池板，所述太阳能电池板通过可调角度支架安装在恒温水箱顶部，所述蓄电池为恒温水循环机构、控制机构和除湿机构供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，工艺简单，操作方便，所制备的生物质炭专用于固定重金属镉，对重金属镉的吸附饱和量高达120000mg/Kg，远高于传统生物质炭的镉饱和吸附量；

（2）本发明提供的镉污染土壤修复***，在恒温水循环机构的辅助下，巧妙地将毛细、蒸腾、蒸发、负压等作用结合，促进水份自下而上依次经过恒温储水窖、吸水基质层、污染土壤贮存层、生物质炭固定层和基质材料层，充分浸润、解离污染土壤层的镉，并由生物质炭吸附、固定去除，有利于镉污染土壤的高效修复；

（3）本发明所采用的原料来源广泛，价格低廉，所提供的修复***结构简单，节能环保，易于推广。

附图说明

图1是镉污染土壤修复***的结构示意图；

图中标记为：1、恒温储水窖；2、隔层一；3、吸水基质层；4、隔层二；5、污染土壤贮存层；6、隔层三；7、生物质炭固定层；8、隔层四；9、基质材料层；10、观赏植物；11、除湿口；12、湿度传感器；13、第二移门；14、第一移门；15、冷凝管；16、太阳能电池板；17、补水口；18、单片机；19、电加热丝；20、温度传感器；21、水流控制阀；22、蓄电池；23、恒温水箱；24、排湿风机；25、送风机；26、进水管；101、主箱体；102、温室箱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，包括以下步骤：

（1）将农业生物质棉秆粉加入去离子水中，搅拌均匀后滴加质量分数为85%的浓磷酸，在超声波中振荡浸渍25min，再加热至150℃下搅拌反应12h得到固体反应物，所述固体反应物经粉碎后过50目筛，得到预处理秸秆粉料；

（2）将预处理秸秆粉料和三聚氰胺按25：5的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化2h，再升温至900℃，气氛更换为氨气，碳化3h，停止通入氨气，再通入氮气，冷却降温至室温，得到镉污染土壤修复用生物质炭。

本实施例还提供一种镉污染土壤修复用生物质炭，采用所述的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法制备获得。

实施例2

（1）将农业生物质棉秆粉加入去离子水中，搅拌均匀后滴加质量分数为87%的浓磷酸，在超声波中振荡浸渍30min，再加热至150℃下搅拌反应13h得到固体反应物，所述固体反应物经粉碎后过40目筛，得到预处理秸秆粉料；

（2）将预处理秸秆粉料和三聚氰胺按25：7的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化1h，再升温至900℃，气氛更换为氨气，碳化3h，停止通入氨气，再通入氮气，冷却降温至室温，得到镉污染土壤修复用生物质炭。

实施例3

（1）将农业生物质棉秆粉加入去离子水中，搅拌均匀后滴加质量分数为82%的浓磷酸，在超声波中振荡浸渍35min，再加热至140℃下搅拌反应11h得到固体反应物，所述固体反应物经粉碎后过60目筛，得到预处理秸秆粉料；

（2）将预处理秸秆粉料和三聚氰胺按4：1的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化2h，再升温至900℃，气氛更换为氨气，碳化1h，停止通入氨气，再通入氮气，冷却降温至室温，得到镉污染土壤修复用生物质炭。

对比例1

（2）将预处理秸秆粉料和三聚氰胺按4：1的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化3h，冷却降温至室温，得到生物质炭。

对比例2

（2）将预处理秸秆粉料和三聚氰胺按25：7的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化4h，冷却降温至室温，得到镉污染土壤修复用生物质炭。

实施例1~3中制备的镉污染土壤修复用生物质炭，专用于固定重金属镉，对重金属镉的吸附饱和量高达120000mg/Kg，远高于传统生物质炭的镉饱和吸附量。对比例1~2中制备的生物质炭，对重金属镉的吸附饱和量低于500mg/Kg，远低于实施例1~3。

实施例4

如图1所示，本实施例提供一种镉污染土壤修复***，包括重金属固定机构、温室机构、恒温水循环机构和控制机构。

重金属固定机构包括主箱体101以及在主箱体101内自下而上依次设置的恒温储水窖1、吸水基质层3、污染土壤贮存层5和生物质炭固定层7。

吸水基质层3由实施例1~3中任意所述的镉污染土壤修复用生物质炭以及硅藻土复混构成，且粉状的生物质炭和硅藻土的质量比为（3~5）：（7~5），可以吸附富集由恒温储水窖1中蒸发出来的水汽。

污染土壤贮存层5的高度为30~50cm，污染土壤贮存层5与重金属测定仪器连接，重金属测定仪器与控制机构的单片机18相连，实时监测污染土壤贮存层5中重金属镉含量变化。污染土壤贮存层5对应的主箱体侧壁设有第一开口，且第一开口处设置第一移门14，在污染土壤贮存层5被净化达到国家标准浓度后，一般标准为重金属镉含量小于或等于0.3mg/kg，达标后将该土层移出土壤修复设备，更换新的需要修复的污染土壤层。

生物质炭固定层7的高度为10~30cm，生物质炭固定层7与重金属测定仪器连接，重金属测定仪器与单片机18相连，实时监测生物质炭固定层7中重金属镉含量变化。生物质炭固定层7对应的主箱体侧壁设有第二开口，且第二开口处设置第二移门13，在生物质炭固定层7中吸附固定的重金属镉饱和后可整体取出，更换新的生物质炭固定层7，保持***的净化效率。

温室机构包括与主箱体101相连的温室箱体102、设于温室箱体102内的基质材料层9以及生长于基质材料层9上的观赏植物10。观赏植物10优选耐湿旱植物，如黄菖蒲（又名“黄花鸢尾”）。基质材料层9设于生物质炭固定层7上方，为观赏植物10提供营养和空间。温室箱体102的顶面和侧壁为玻璃材质，且顶面为弧形。

恒温储水窖1和吸水基质层3之间设置隔层一2，避免生物质炭颗粒流失到恒温储水窖1中；吸水基质层3和污染土壤贮存层5之间设置隔层二4，可以避免污染土壤修复过程中发生污染向下层扩散的情况；污染土壤贮存层5和生物质炭固定层7之间设置隔层三6，生物质炭固定层7与基质材料层9之间设置隔层四8，隔层四8将重金属镉专用的生物质炭固定层7与植物根系隔开，防止根系扎入生物质炭固定层7，影响土层的更换；隔层一2、隔层二4、隔层三6和隔层四8的主体为不锈钢骨架，且骨架内填充有抗老化、耐腐蚀、透气透水材料。

控制机构包括单片机18，与恒温水循环机构相连，且能够控制恒温水循环机构为恒温储水窖1提供恒温水。

恒温水循环机构包括恒温水箱23、连接恒温水箱23和恒温储水窖1的进水管26、以及连接温室箱体102和恒温水箱23的冷凝管15。主箱体101和恒温水箱23的外壳均为保温材料，提高保温效果，减少能源消耗。恒温水箱23一侧壁设有与进水管26相连的出水口，进水管26设有水流控制阀21，恒温水箱23内设有电加热丝19和温度传感器20，电加热丝19、温度传感器20和水流控制阀21分别与单片机18相连。在单片机18中预设目标水温，当温度传感器20检测到恒温水箱23中水温低于目标水温时，单片机18向电加热丝19发送启动指令，开始加热，当水温达到目标水温后，停止加热。若恒温水箱23内水温未能达到预设的目标水温，水流控制阀21关闭；当水温达标后，水流控制阀21打开，水箱23中的水流入恒温储水窖1中。恒温水箱23的另一侧壁设有补水口17，通过补水口17进行补水，正常使用时，补水口17堵塞防止漏水。

本实施例提供的一种镉污染土壤修复***，还包括蓄电池22以及与蓄电池22相连的太阳能电池板16，太阳能电池板16通过可调角度支架安装在恒温水箱23顶部，可调角度支架可根据季节或时间不同，调整太阳能电池板16的安装角度，最大程度地接收太阳能辐射。蓄电池22为控制机构的单片机18、恒温水循环机构的电加热丝19和温度传感器20供电。

实施例5

如图1所示，本实施例提供一种镉污染土壤修复***，还包括设于温室箱体102上部的除湿机构，除湿机构包括与控制机构的单片机18分别相连的排湿风机24、送风机25和湿度传感器12。除湿机构还独立设置有控制器，与送风机25和排湿风机24连接，用于控制送风机25和排湿风机24的转速。蓄电池22为除湿机构供电。

温室箱体102上部侧壁设有与冷凝管15相连的除湿口11，湿度传感器12安装于除湿口11下方，排湿风机24的出口端与除湿口11相连，送风机25能够将室外空气送入温室箱体。湿度传感器12与单片机18实现数据连接，单片机18可实时获取温室内的湿度情况，当空气湿度大于或等于50%时，单片机18向除湿***发送开启指令，开始除湿工作，排出的湿气经过冷凝管15回流到恒温水箱23中，当空气湿度小于50%时，除湿***停止工作。

本发明中镉污染土壤修复***的工作原理为：

首先按照图1所示结构搭建***。当太阳透过玻璃照射到温室箱体102中，提升温室温度，并促进温室内植物和土壤的蒸散作用，吸水基质层3中的水分上升，经过污染土壤贮存层5时将污染土壤中的活性重金属镉离子融入并进入生物质炭固定层7中，专用的生物质炭经过一系列物理化学过程将水分中的重金属镉离子固定，而水汽继续向上运动，部分水汽被观赏植物10吸收，大部分水汽则通过蒸腾或蒸发作用进入温室空气中。过程中，单片机18根据温度传感器20和湿度传感器12的实时数据，判断是否开启电加热丝19及除湿机构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，其特征在于，所滴加的浓磷酸的质量分数为82~87%，在超声波中振荡浸渍25~35min，再加热至140~160℃下搅拌反应11~13h得到固体反应物，所述固体反应物经粉碎后过40~60目筛。

3.根据权利要求1所述的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法，其特征在于，所述预处理秸秆粉料和三聚氰胺按（23~25）：（5~7）的质量比混合并研磨均匀后放入管式碳化炉中，在氮气氛围下升温至800℃，碳化1~2h，再升温至900℃，气氛更换为氨气，碳化1~3h，停止通入氨气，再通入氮气，冷却降温至室温。

4.一种镉污染土壤修复用生物质炭，其特征在于，采用权利要求1~3中任一项所述的镉污染土壤修复用生物质炭的制备方法制备获得。

5.一种镉污染土壤修复***，其特征在于，包括重金属固定机构、温室机构、恒温水循环机构和控制机构；

所述重金属固定机构包括主箱体以及在主箱体内自下而上依次设置的恒温储水窖、吸水基质层、污染土壤贮存层和生物质炭固定层，所述吸水基质层由权利要求4所述的镉污染土壤修复用生物质炭以及硅藻土复混构成；

6.根据权利要求5所述的镉污染土壤修复***，其特征在于，所述吸水基质层中粉状的生物质炭和硅藻土的质量比为（3~5）：（7~5）；

7.根据权利要求5所述的镉污染土壤修复***，其特征在于，所述恒温储水窖和吸水基质层之间设置隔层一，所述吸水基质层和污染土壤贮存层之间设置隔层二，所述污染土壤贮存层和生物质炭固定层之间设置隔层三，所述生物质炭固定层与基质材料层之间设置隔层四；所述隔层一、隔层二、隔层三和隔层四的主体为不锈钢骨架，且骨架内填充有抗老化、耐腐蚀、透气透水材料。

8.根据权利要求5所述的镉污染土壤修复***，其特征在于，所述恒温水箱一侧壁设有与进水管相连的出水口，另一侧壁设有补水口；所述恒温水箱内设有电加热丝和温度传感器，所述进水管设有水流控制阀，所述电加热丝、温度传感器和水流控制阀分别与控制机构相连。

9.根据权利要求5所述的镉污染土壤修复***，其特征在于，还包括设于温室箱体上部的除湿机构，所述除湿机构包括与控制机构分别相连的排湿风机、送风机和湿度传感器；所述温室箱体上部侧壁设有与冷凝管相连的除湿口，所述湿度传感器安装于除湿口下方，所述排湿风机的出口端与除湿口相连，所述送风机能够将室外空气送入温室箱体。

10.根据权利要求9所述的镉污染土壤修复***，其特征在于，还包括蓄电池以及与蓄电池相连的太阳能电池板，所述太阳能电池板通过可调角度支架安装在恒温水箱顶部，所述蓄电池为恒温水循环机构、控制机构和除湿机构供电。