一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置及應用的製作方法

2023-12-08 19:30:21 1

本發明屬於重金屬汙染治理技術領域，具體地說，涉及一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置及應用。

背景技術：

目前，我國大量土壤處於重金屬汙染的集中高發期。「鎘大米」的頻現表明我國重金屬土壤汙染嚴重威脅環境安全，已直接危及到廣大群眾的「米袋子」。

重金屬對土壤的汙染已是全國性問題，全國1/5耕地受重金屬汙染，其中，鎘汙染耕地涉及11省25個地區。只不過呈現地域差異，東部比西部嚴重，南部比北部嚴重，珠三角地區尤為顯著。有色金屬大省湖南、江西等是重金屬汙染的重點地區，湘江是中國重金屬汙染最嚴重的河流。重金屬無論對水體汙染，還是對大氣汙染，最終都將葉落歸根於土壤。鎘、鉛、汞等重金屬一旦進入土壤，排除困難，殘存量大，所產生的危害將是長期的。通過食物鏈進入人和動物體內，「致疾、致癌、致突變」，成為造成許多現代病的主要因素。

不僅是消除「鎘大米」背後的土壤汙染，實質上，我國還面臨著土壤和水重金屬汙染顯著增大，重金屬元素在土壤表層明顯富集，並與人口密集區、工礦區存在密切相關性的現實。與地質部門1994-1995年採樣相比，土壤重金屬汙染分布面積顯著擴大，並向人口密集區擴散；土壤危險元素在增多，我國出現越來越多本來沒有或微不足道的危險元素，經長期積累沉澱，使大量國土土壤被嚴重汙染的現狀，以上這種狀況若通過自淨能力完全復原周期長達上千年。

因此，重金屬汙染土地的治理修復，不僅僅是國家糧食安全和生態環境安全的重大需求，而且關係到民族素質和國家的興旺發達。

當人們越來越深刻認識到重金屬汙染的嚴重後果後，正積極採取一些治理的技術措施。目前，這些技術措施主要為以下三類：工程措施(主要為換土和深耕翻土等)、物理/化學方法(採用物理/化學方法對重金屬鈍化，也稱穩定/固定方法)、生物修復技術(生物修復技術又分為微生物修復技術和植物修復技術)。以上三種措施從單方面看，都有一定的效果，但都存在著嚴重的欠缺和不可行性。工程措施表現出效果相對徹底、穩定特點，但其工程量大，投資高，易引起土壤肥力和初級生產力下降，而且轉換出土壤的妥善處理和可能引起二次汙染是難以克服的技術欠缺，一般只能適用於小面積治理修復。採用物理/化學鈍化方法，主要基於重金屬土壤化學行為的改良措施，降低土壤重金屬的水溶性、擴散性和生物有效性，從而降低重金屬進入食物鏈的能力，減輕對生態系統的危害。該方法儘管將重金屬鈍化在土壤中，卻產生了一個最大的弊端，即重金屬仍存留在土壤中，一旦環境條件變化，重金屬被「活化」，不僅造成二次汙染，還會產生汙染的複合效應。生物技術中的微生物技術和植物治理修復技術是當今環境治理修復技術領域的熱點，也是最具挑戰的研究方向，但存在不少技術性障礙。

因此，迄今為止，國內重金屬汙染土地的治理修復領域，還沒有一個令人滿意的成功案例。在至為推崇的生物(微生物、植物)治理修復領域，也尚無可以推廣應用的治理修復經驗。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明針對上述的問題，提供了一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置及應用，本發明利用pal材料對主要土壤重金屬吸附的自然特性，結合插棒技術，模擬植物對重金屬的吸收、固定與轉移功能，在不影響水稻植株正常生長的情況下，以插入pal棒體形式萃取與移出土壤中重金屬，本發明是一種專門用於移除盆栽水稻土壤中主要重金屬的裝置，消除了重金屬幹擾水稻研究結果的技術難題，本發明適合水稻盆栽中土壤重金屬的移除，也適合於一般汙染土壤的重金屬的移除。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置，包括中空無蓋桶體，所述桶體內設置有土壤，所述土壤內插設有若干根pal材料插棒體，所述pal材料插棒體包括布袋，所述布袋的底部為圓錐形，所述布袋內裝有pal材料。

進一步地，桶體的頂部設置有把手。

進一步地，布袋的材質採用20-30目的無紡布。

進一步地，布袋的直徑為6-8釐米，長度為30-50釐米；所述桶體的直徑和高度均為30釐米。

進一步地，pal材料的目數小於等於10目。

本發明還公開了一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置的應用，包括以下步驟：

1)插棒體的製作：以20-30目的無紡布做成底部為圓錐體形的布袋，布袋的直徑為6-8釐米，長度為30-50釐米，布袋的圓錐體端為封閉端，另一端則保持開口狀態；

2)pal材料的灌裝：選擇細度在10目或以下的pal材料，灌入步驟1)製備得到的布袋，灌填時用光滑木棒伸入布袋搗壓pal材料，確保布袋內材料的均勻與緊實，以保證灌填好的pal棒體具有較強的機械強度，用細繩紮緊布袋上端，製備得到pal材料插棒體；

3)pal材料插棒體的種植：準備一個中空無蓋的桶體，桶體的直徑和高度均為30釐米；桶體內裝置有土壤，即先把土壤挖開，把灌填完成的pal材料插棒體垂直插入土壤中進行吸附處理；pal材料插棒體植入數量為3-5個，將pal材料插棒體從土壤中拔出；視土壤重金屬汙染濃度，確定換棒次數，直至達標。

進一步地，桶體的頂部設置有把手。

進一步地，吸附處理的周期為3-5天。

與現有技術相比，本發明可以獲得包括以下技術效果：

1)本發明利用pal材料層狀、納米級孔穴通道的微觀構造和次生孔隙，仿生植物管狀結構；

2)本發明利用pal材料對重金屬選擇性吸附的獨特性和對重金屬毒性的絕對忍耐，仿生超累積重金屬植物忍耐、吸收、轉移重金屬，積累、鈍化、代謝和固定重金屬的功能；

3)本發明利用插棒技術，仿生植物攜帶重金屬汙染物脫離土壤，以達治理修複目的。

當然，實施本發明的任一產品並不一定需要同時達到以上所述的所有技術效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是本發明適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置的結構示意圖；

圖2是本發明pal材料插棒體的結構示意圖。

圖中，1.桶體，2.土壤，3.pal材料插棒體，4.布袋，5.pal材料，6.把手，7.秧苗。

具體實施方式

以下將配合實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

本發明提供一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置，如圖1所示，包括中空無蓋桶體1，桶體1內設置有土壤2，土壤2內插設有若干根pal材料插棒體3，如圖2所示，pal材料插棒體3包括布袋4，布袋4的底部為圓錐形，布袋4裝有pal材料5。

桶體1的頂部設置有把手6。布袋4的材質採用20-30目的無紡布。布袋4的直徑為6-8釐米，長度為30-50釐米。pal材料5的目數小於等於10目。

本發明還提供一種適合盆栽水稻的插棒式土壤重金屬移除裝置的應用，包括以下步驟：

1)插棒體的製作：以20-30目的無紡布做成底部為圓錐體形的布袋4，也可以根據實踐需要將布袋做成其他形狀，按需要設計布袋的容量(直徑與長度)；優選的，布袋4的直徑6-8釐米，長度為30-50釐米(或與盆栽桶齊高)，封閉布袋4的底端(圓錐體端)，另一端則保持開口狀態便於下一步的pal材料的灌裝(圖2)。

2)pal材料的灌裝：選擇細度在10目或以下的pal材料(市售產品)，灌入上述封閉布袋4，灌填時用光滑木棒伸入布袋搗壓pal材料，確保布袋內材料的均勻與緊實，以保證灌填好的pal棒體具有較強的機械強度，用細繩紮緊布袋上端，製備得到pal材料插棒體3。其中，pal(palygorskite)材料的原料為坡縷石(又稱凹凸棒石，含水鎂質矽酸鹽)，是經提純、超微化、活化、改性等生物工程技術和生態農業加工工藝，製造的天然無機非金屬生態材料。

3)pal材料插棒體3的種植：pal材料插棒體3作為pal材料的機械載體，插棒的「種植」可模擬植物的種植(圖1)；準備一個中空無蓋的桶體1，桶體1內裝置有土壤2，即先把土壤挖開，把pal材料插棒體3垂直插入挖開的土壤2中，再把土回填到插棒周圍。桶體1的直徑和高度均為30釐米時，pal材料插棒體3植入數量為3-5個，待pal材料插棒體3飽和吸收重金屬後(水稻土一般需要3-5天)將插棒從土壤中拔出。吸附周期一般為3-5天，視土壤重金屬汙染濃度，確定換棒次數，直至達標，即有害重金屬濃度低於表1中的一級標準濃度。與此同時，將脫離土壤的重金屬汙染棒，施以無害化穩定技術處置。

表1土壤環境質量標準值mg/kg

*中華人民共和國國家標準—土壤環境質量標準(gb15618－1995)中重金屬離子濃度。

本發明模擬植物體形態特徵設計插棒形狀，插棒(pal材料插棒體3)作為pal材料的機械載體，相當植物植種於土壤，發揮類似植物吸附固定功能，待飽和吸收重金屬後將棒從土壤中拔出，若不達標，再更換新棒。與此同時，將脫離土壤的重金屬汙染棒，施以無害化穩定技術處置。一般吸附周期為3-5天，視汙染濃度，確定換棒次數，直至達標；插棒作業不影響土地肥力，不影響作物生長；可以小面積實施，也可工程化操作，規模化實施。

下面結合具體的實驗數據來說明本發明的技術效果：

一、配置一定濃度的重金屬溶液，將pal材料插棒體3浸入，間隔一定時間測定幾種重金屬的去除效果。實驗結果如下表1：

表1pb2+、cu2+、cd2+的去除率

由表1可知，pb2+、cu2+、cd2+12h的去除率分別為81％、71％、61％，24h時去除率分別為92.6％、80％、69％，48h時去除率分別為98.6％、91％、85％。

二、稻田土壤自然風乾後用粉碎機粉碎，按照每公斤幹土含10毫克鎘的劑量摻入無水cdcl2，用攪拌機充分混勻後堆放一年，第二年曬乾粉碎後再次用攪拌機充分混勻後備用，經檢測，土壤鎘含量為10.0±0.2mg/kg。將上述幹土裝入30釐米*30釐米(直徑/高度)的水桶中，加注自來水直至土表覆蓋1cm左右水層。如圖1所示，將插棒「種植」於水桶中，植入數量在5個，待pal插棒飽和吸收重金屬後(3天後)將插棒從土壤中拔出；重複上述「種植」(即換棒處理)2次，同時取土樣測定cd2+的含量。

pal材料插棒體3插入3天後，盆栽土壤中重金屬鎘含量為4.02mg/kg，換棒1次(即6天後)盆栽土壤中重金屬鎘含量為1.82mg/kg，換棒2次(即9天後)盆栽土壤中重金屬鎘含量為0.32mg/kg。即盆栽土壤中96.8％的cd2+被pal插棒吸附並移出。

上述說明示出並描述了發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述發明構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離發明的精神和範圍，則都應在發明所附權利要求的保護範圍內。