一種土壤改良劑及用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法
2023-05-06 19:36:11 2
一種土壤改良劑及用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法
【專利摘要】一種土壤改良劑及用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法，涉及一種土壤改良劑。土壤改良劑為固體筍殼基生物炭，在400℃下隔絕氧氣熱解30min所得的元素組成為C、H、N、K、P、Mg、Ca、Si和O。所述土壤改良劑採用以下方法製備：將筍殼清洗烘乾、粉碎後裝入熱解爐中，在380～420℃下隔絕氧氣熱解20～40min，生物質筍殼經過乾燥、預炭化、炭化得到固體筍殼基生物炭。改良方法如下：將土壤改良劑以2.5%～10%的質量分數添加進重金屬鉛汙染土壤中，加水至田間土壤飽和持水量的70%，用薄膜覆蓋防止水分散失，並在薄膜上每間隔5cm處開一氣口，每2～3天加水補充散失的水分，培養後取出風乾，得改良土壤。
【專利說明】—種土壤改良劑及用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種土壤改良劑，尤其是涉及一種土壤改良劑及用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法。
【背景技術】
[0002]土壤是地球表面具有肥力、能讓植物生長的疏鬆表層，是人類最重要、最基本、不可替代的自然資源。隨著國民經濟和工業技術的發展，工礦企業廢水廢渣、石油、農藥中的重金屬汙染物不斷地進入土壤環境，引起部分耕地受到重金屬汙染。土壤中重金屬超標會嚴重影響作物的質量和產量，並可被作物吸收，通過食物鏈進入人體；另外，土壤中重金屬還可通過水循環進入地下水，通過飲用水進入人體。由於人體對重金屬的排出作用較弱，長期食用或飲用被重金屬汙染的食品和水，會引起重金屬在人體內的富集，嚴重危害人體健康。
[0003]土壤的重金屬汙染相比於其他汙染，如有機物汙染，有其自身的特點。首先，重金屬在土壤中只會發生存在形態的轉變，而不會自然降解，也不會被土壤中的微生物分解，且重金屬在土壤環境中的遷移能力較差，可在土壤中長期存在。如重金屬鉛對環境的危害非常大，在土壤中相對於其他重金屬更容易被作物吸收，並在植物體內殘留，對植物體產生毒害作用，並可以通過食物鏈進入人體，在人體內潛伏期長，且難以排出。近年來，鉛汙染對人類健康損害事件時有報導，如兒童血鉛超標事件等，因此，鉛汙染土壤的改良面臨著嚴峻的挑戰。目前，重金屬鉛汙染 土壤的修複方法包括淋洗法、植物修復法和電動修復法。淋洗法工作量大，成本高，易造成二次汙染；植物修復法成本低廉，但修復周期較長，且修復效果有限，用於修復後的植物處理也是個難題；電動修復法成本高，操作複雜，工程龐大，不適合大面積修復。用生物炭降低土壤中鉛的遷移性和生物有效性的方法稱之為固定法，該方法操作簡單，成本低廉，效果良好，實現了廢物利用，並可較好地改良土壤的物理、化學和生物學性能，具有經濟和環境的雙重效益。
[0004]中國是世界上最主要的產竹與產筍國，擁有豐富的筍殼資源。目前，筍殼的處理方法為燃燒或直接丟棄，不僅汙染了環境也造成了資源的浪費。人們開始尋求筍殼較為高效的利用方法，如CN101851122A公開了一種利用筍殼製備有機肥的工藝；CN102125067A公開了一種利用廢棄筍殼製備筍殼飼料的方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的旨在提供一種土壤改良劑。
[0006]本發明的另一目的旨在提供所述土壤改良劑用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法。
[0007]所述土壤改良劑為固體筍殼基生物炭，其在400°C下隔絕氧氣熱解30min所得的元素組成為 C67.17%、H3.885%、N3.102%、Kl.20%、P0.41%、Mg0.26%、Ca0.28%、Si0.25%、023.443%ο
[0008]所述土壤改良劑採用以下方法製備:將筍殼清洗烘乾、粉碎後裝入熱解爐中，在380~42(TC下隔絕氧氣熱解20~40min,生物質笑殼經過乾燥、預炭化、炭化得到固體笑殼基生物炭，即土壤改良劑。
[0009]所述土壤改良劑用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法如下:
[0010]將土壤改良劑以2.5%~10%的質量分數添加進重金屬鉛汙染土壤中，加水至田間土壤飽和持水量的70%，用薄膜覆蓋防止水分散失，並在薄膜上每間隔5cm處開一大小為ImmXlmm的氣口，保持與大氣通氣，每2~3天加水補充散失的水分，培養30天後取出風乾，得到改良土壤。
[0011]本發明所提供的土壤改良劑及將其用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法具有以下優點:
[0012]1.以生物質熱解得到的土壤改良劑對重金屬鉛離子具有吸附和固定作用，可有效降低被作物吸附的鉛的有效濃度，阻止了鉛從土壤向作物的遷移，減弱了重金屬鉛對作物的毒害。實驗表明，將該固體筍殼基生物炭以5%質量比混入土壤中，培養一個月後，土壤對鉛的飽和吸附量可達到90mg/g以上，相對於沒有添加固體筍殼基生物炭的土壤有了很大的提聞。
[0013]2.生物質熱解得到的土壤改良劑具有一定的孔隙結構和吸附能力，可顯著改良土壤的保水保肥能力，固體筍殼基生物炭中含有植物生長所必須的氮、磷、鉀等元素，可為土壤提供一定肥力，經元素分析和能譜分析，400°C下熱解30min得到的固體筍殼基生物炭含有 N3.102%、Kl.20%、P0.41%。
[0014]3.生物質熱解得到的固體筍殼基生物炭密度小，結構疏鬆，加入土壤可明顯減小土壤容重，增加土壤孔隙，有利於植物根系的生長和土壤中微生物的生長。
[0015]4.生物質熱解得到的固體筍殼基生物炭對土壤的改良是碳的固定，將碳封存於土壤中，有效地減少了溫室氣體 二氧化碳的排放，對減緩氣候變暖具有重要意義。
[0016]5.生產固體筍殼基生物炭的熱解設備和方法簡單，原料來源廣泛，廉價易得，熱解後得到的固體筍殼基生物炭可就近施於需要改良的重金屬鉛汙染土壤中，即可改良土壤，又可解決了農業廢棄物的利用問題，具有良好的經濟效益和環境效益，真正實現了經濟和環境的雙贏。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為400°C下筍殼熱解30min得到的固體筍殼基生物炭的掃描電鏡圖。
[0018]圖2為固體筍殼基生物炭質量分數為5%培養后土壤對不同濃度Pb2+的吸附曲線。圖中，橫坐標為Pb2+初始濃度(mmol/L)，縱坐標為Pb2+吸附量(mg/g)。
[0019]圖3為添加不同質量分數固體筍殼基生物炭培養后土壤容重的變化曲線。圖中，橫坐標為固體笑殼基生物炭質量分數(％)，縱坐標為土壤容重(g/cm3)。
[0020]圖4為添加不同質量分數固體筍殼基生物炭培養后土壤保水效果變化曲線。圖中，橫坐標為時間(d)，縱坐標為土壤含水量(mg/g)，曲線自上而下依次為生物炭質量分數為10%、7.5%、5%、2.5%、0%培養土壤的保水量曲線。
[0021]圖5為0.5g添加不同質量分數固體筍殼基生物炭培養后土壤對Pb2+的吸附量變化曲線。圖中，橫坐標為固體筍殼基生物炭質量分數(％)，縱坐標為Pb2+吸附量(mg/g)。【具體實施方式】
[0022] 下面通過實施例對本發明做詳細說明。
[0023]實施例1
[0024]於筍加工廠收集筍殼，將筍殼衝洗後置於100°C烘箱中烘乾，粉碎後置於石英舟中，放入管式熱解爐中，熱解爐先用氮氣快速吹掃2min，後保持氣流約為1.2L/min。熱解條件設置為從室溫升溫至400°C，升溫速率為5°C /min,並在400°C下保持30min，之後自然冷卻至室溫，熱解殘餘固體組分均視為固體筍殼基生物炭，收率為38.90%。從圖1的掃描電鏡圖可以看到，所得到的固體筍殼基生物炭具有良好的孔隙，結合元素分析和能譜分析，測得其元素組成為 C67.17%、H3.885%、N3.102%、Kl.20%、P0.41%、Mg0.26%、Ca0.28%、Si0.25%、023.443%ο
[0025]應用固體筍殼基生物炭對重金屬鉛汙染土壤的改良實驗方法為:將熱解得到的筍殼基生物炭與土壤按質量比1: 19的比例混合、攪勻，置於聚乙烯杯中，加水至田間土壤飽和持水量的70%，用薄膜封口防止水分散失，並在薄膜上開一大小為1mmX Imm的氣口，保持與大氣通氣，每3天稱重一次，補充散失的水分，培養30天後取出風乾。取0.5g用上述方法培養的土壤吸附25ml、2mmol/L的Pb2+溶液,置於搖床中於25°C、120r/min下震蕩Ih後靜置I天，經0.22 μ m微孔濾膜過濾後，用FAAS (火焰原子吸收光譜法)測定溶液中剩餘的鉛離子濃度。經計算(見圖2)，0.5g上述方法培養的含質量分數5%的固體筍殼基生物炭土壤對2mmol/L的鉛離子溶液中Pb2+的吸附量為20.72mg/g，鉛離子去除率為99.93%，說明含固體筍殼基生物炭質量分數為5%的土壤對鉛離子具有良好的吸附作用，可有效降低土壤中作物利用鉛離子的有效濃度。同時，添加5%固體筍殼基生物炭土壤的土壤容重有了明顯的下降(見圖3)，保水率改善明顯(見圖4)。添加5%固體筍殼基生物炭培養的土壤容重為0.6532g/cm3,相比於未添加生物炭的土壤容重0.9516g/cm3,添加5%固體笑殼基生物炭培養之後的土壤容重下降了 45.68%。添加5%固體筍殼基生物炭培養的土壤飽和吸水量為1019mg/g,自然條件下放置7天後含水量為381mg/g ;同時,未添加固體笑殼基生物炭的土壤飽和吸水量為727mg/g，自然條件下放置7天後為208mg/g。說明添加固體筍殼基生物炭後，可有效改善土壤的板結性和保水性。
[0026]實施例2
[0027]同實施例1的實驗方法，分別採用不同濃度的Pb2+溶液，評價含質量分數5%的固體筍殼基生物炭土壤對重金屬鉛的吸附能力。實驗結果經計算(見圖2)，0.5g含質量分數5%的固體筍殼基生物炭土壤對4mmol/L的鉛離子溶液中Pb2+的吸附量為41.44mg/g，鉛離子去除率為99.91% ;對6mmol/L的鉛離子溶液中Pb2+的吸附量為61.68mg/g，鉛離子去除率為99.22% ;對8mmol/L的鉛離子溶液中Pb2+的吸附量為82.64mg/g，鉛離子去除率為97.11% ;對lOmmol/L的鉛離子溶液中Pb2+的吸附量為96.06mg/g，鉛離子去除率為92.73%。
[0028]實施例3
[0029]將筍殼在400°C下熱解30min得到的固體筍殼基生物炭以質量分數2.5%添加至土壤中，培養30天後，風乾。測得添加質量分數2.5%的固體筍殼基生物炭后土壤容重為0.7648g/cm3,與未添加固體笑殼基生物炭時的0.9516g/cm3 土壤容重相比下降了 19.63%,土壤容重的下降說明土壤的透氣透水性得到了改良(見圖3、圖4)。土壤的pH值升高了
0.28，說明添加筍殼基生物炭可改良土壤酸性。取上述培養的土壤0.5g吸附25mll0mmol/L的Pb2+溶液，吸附後用FAAS (火焰原子吸收光譜法)測定溶液中剩餘的鉛離子濃度，結果經計算(見圖5)，添加質量分數為2.5%的筍殼基生物炭培養后土壤對25mll0mmol/L的Pb2+溶液中Pb2+的吸附容量為92.50mg/g。
[0030]實施例4
[0031]將筍殼在400°C下熱解30min得到的固體筍殼基生物炭以質量分數7.5%添加至土壤中，培養30天後，風乾。測得添加質量分數7.5%的固體筍殼基生物炭后土壤容重為
0.5660g/cm3,與未添加固體笑殼基生物炭時的0.9516g/cm3相比土壤容重下降了 40.52%,土壤容重的下降說明土壤的透氣透水性得到了改良。土壤的PH值升高了 0.58，說明添加固體笑殼基生物炭可較好地改良土壤酸性。取上述培養土壤0.5g吸附25mll0mmol/L的Pb2+溶液，吸附後用FAAS (火焰原子吸收光譜法)測定溶液中剩餘的鉛離子濃度，結果經計算(見圖5)，添加質量分數為7.5%的固體筍殼基生物炭培養后土壤對25mll0mmol/L的Pb2+溶液中Pb2+的吸附容量為100.34mg/g。
[0032]實施例5
[0033]將筍殼在400°C下熱解30min得到的固體筍殼基生物炭以質量分數10%添加至土壤中，培養30天後，風乾。測得其土壤容重為0.5237g/cm3,與未添加固體筍殼基生物炭時的0.9516g/cm3相比土壤容重下降了 44.97%，土壤容重的下降說明土壤的透氣透水性得到了改良。土壤的PH值升高了 0.69，說明添加固體筍殼基生物炭可較好地改良土壤酸性。取上述培養土壤0.5g吸附25mll0mmol/L的Pb2+溶液，吸附後用FAAS(火焰原子吸收光譜法)測定溶液中剩餘的鉛離子濃度，結果經計算(見圖5)，添加質量分數為10%的固體筍殼基生物炭培養后土壤對25mll0mmol/L的Pb2+溶液`中Pb2+的吸附容量為103.60mg/g。
【權利要求】
1.土壤改良劑，其特徵在於為固體筍殼基生物炭，其在400°c下隔絕氧氣熱解30min所得的元素組成為 C67.17%、Η3.885%、Ν3.102%, Kl.20%、P0.41%,Mg0.26%、Ca0.28%, Si0.25%、023.443%ο
2.如權利要求1所述土壤改良劑的製備方法，其特徵在於將筍殼清洗烘乾、粉碎後裝入熱解爐中，在380~420°C下隔絕氧氣熱解20~40min，生物質筍殼經過乾燥、預炭化、炭化得到固體筍殼基生物炭，即土壤改良劑。
3.如權利要求1所述土壤改良劑用於重金屬鉛汙染土壤的改良方法，其特徵在於將土壤改良劑以2.5%~10%的質量分數添加進重金屬鉛汙染土壤中，加水至田間土壤飽和持水量的70%,用薄膜覆蓋防止水分散失,並在薄膜上每間隔5cm處開一大小為1mmXlmm的氣口，保持與大氣通氣，每2~3天加水補充散失的水分，培養30天後取出風乾，得到改良土壤。`
【文檔編號】C09K17/00GK103484125SQ201310477113
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】葉李藝, 趙傑, 張敬苗, 吐松 申請人:廈門大學