一種用于弱酸性鎘污染土壤的鈍化劑及其應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤重金屬污染治理領域，特別是一種用于弱酸性鎘污染土壤的鈍化劑及其應用。
【背景技術】
[0002]土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，然而環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益嚴峻，嚴重影響到人類的健康和生存，其中重金屬元素對環(huán)境的污染和破壞作用尤為嚴重，土壤中重金屬會對作物產(chǎn)生毒害作用，不僅影響農(nóng)產(chǎn)品的安全，而且還會通過食物鏈對人類和動物健康產(chǎn)生嚴重威脅，已成為目前人類面臨的面積最廣、危害最大的而且亟待解決的環(huán)境問題之一。
[0003]對于大面積重金屬污染的土壤，尤其是中輕度污染的土壤，原位化學鈍化修復技術具有實施簡單，成本低廉以及治理速度快的優(yōu)點。目前常用的鈍化劑包括石灰、沸石、羥基磷灰石、硅肥、高爐碴、粉煤灰、粘土、Fe/Mn氧化物、磷酸鹽、硫化物、人工制備生物碳及有機堆肥或腐殖質等。這些鈍化劑因不同土壤類型和污染物種類各有不同的鈍化效果，一般都具有較大的比表面積和發(fā)達的微孔結構，能夠有效吸附、鈍化重金屬離子，或者提高土壤pH，增加重金屬離子的穩(wěn)定性，降低其活度，從而減少土壤重金屬向植物體內迀移。
[0004]目前重金屬鎘污染土壤的固定穩(wěn)定化修復技術，已經(jīng)有了大量的研究結果，但是幾乎沒有針對弱酸性重金屬鎘污染土壤長期有效的鈍化方法。孟令陽通過溫室盆栽試驗和土壤培養(yǎng)試驗，研究重金屬鎘污染土壤(pH=5.5)中加入草炭、活性炭和風化煤3種物料對土壤重金屬鎘賦存形態(tài)和生物有效性的影響，探討其作為重金屬鎘污染土壤修復劑的可行性，該研究結果表明3種有機碳物料均降低了土壤pH值，重金屬鎘污染土壤加入不同惰性有機碳修復劑后，土壤中可提取態(tài)鎘含量變化不明顯，三種修復劑反而增加了作物體內鎘含量(“不同惰性有機碳物料對土壤鎘賦存形態(tài)和生物有效性的影響”，孟令陽等，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011);代允超通過土培試驗研究了添加不同改良劑對我國不同性質的土壤鎘污染改良效果的差異，結果表明雞糞等有機質可以實現(xiàn)對土壤重金屬的鈍化，石灰可以通過增加土壤的pH實現(xiàn)對酸性土壤的改良，但是也只有55.5%左右(“石灰和有機質對不同性質鎘污染土壤中鎘有效性的影響”，代允超等，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2014);近年來的一些研究表明，施用畜禽糞便、農(nóng)作物秸桿作為有機肥可以土壤對重金屬的吸附，降低土壤中有效態(tài)重金屬的含量，但是由于有機物不穩(wěn)定，容易被微生物降解，吸附后的重金屬容易重新釋放到環(huán)境中去因此對重金屬的鈍化效果并不理想。
[0005]原位化學鈍化修復的核心是鈍化劑的選擇，針對不同土壤類型以及污染物種類選擇合適的鈍化劑尤為重要，當前已有大量鈍化劑可以實現(xiàn)對重金屬鎘污染土壤的固定穩(wěn)定化修復，但是鈍化劑的長期有效性難以保證。此外在我國重金屬污染的酸性農(nóng)田占有非常大的比例，但是卻一直沒有一種長期有效的鈍化劑可以實現(xiàn)對重金屬的鈍化。因此開發(fā)一種針對重金屬污染弱酸性土壤(pH=4-6)的鈍化劑長期有效降低土壤中重金屬鎘有效態(tài)含量就顯得即為迫切。

【發(fā)明內容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供一種環(huán)境友好的、由改性的生物碳和富含鈣、鎂、硅等元素的復配材料作為鈍化劑，對重金屬(Cd)污染的弱酸性土壤中重金屬的固定穩(wěn)定化方法，實現(xiàn)長期有效的鈍化土壤中的重金屬鎘，該鈍化劑具有修復率高、長期穩(wěn)定性好、施用方法簡單的優(yōu)點，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
一種用于弱酸性鎘污染土壤的鈍化劑，該鈍化劑是這樣獲得的:
A)將生物碳置于硫化鈉與硫酸的混合溶液中浸泡3_5h;所述混合溶液中，硫化鈉濃度為Imo I /L，硫酸的質量分數(shù)為10%;
B)400?800W，超聲洗滌20-30min，然后于600?1000W微波化學反應器反應10_20min；
C)抽濾反應物，用去離子水將生物碳洗滌至中性，70°C烘干，獲得改性生物碳；
D)將氧化鈣、氧化鎂、氧化硅與粉煤灰混合均勻，獲得復配材料，以質量百分數(shù)計，復配材料中氧化鈣占30-40%，氧化鎂占5-10%，氧化硅占15-25%，余量為粉煤灰；
將步驟C)獲得的改性生物碳與復配材料按質量比1:1-3混合均勻，即獲得所述鈍化劑。
[0007]進一步，本發(fā)明用于弱酸性鎘污染土壤的鈍化劑制備步驟A)中，生物碳與混合溶液的質量比為1:3-5。
[0008]進一步，本發(fā)明用于弱酸性鎘污染土壤的鈍化劑制備步驟A)中，所述的生物碳，是指由農(nóng)作物秸桿、木肩或畜禽糞為原料，于300-500°C的厭氧環(huán)境中制備獲得的。
[0009]如本發(fā)明所述鈍化劑在原位修復弱酸性鎘污染土壤中的應用。
[0010]進一步，本發(fā)明所述鈍化劑在原位修復弱酸性鎘污染土壤中應用的具體步驟如下:將鈍化劑均勻撒施于弱酸性鎘污染土壤，然后將土壤旋耕20cm;澆水灌溉至土壤水分含量不低于田間最大持水量的70%，保持10d，即完成對該弱酸性鎘污染土壤的原位修復。
[0011 ]進一步，本發(fā)明所述應用中，鈍化劑的撒施量為土壤干重的0.5%-1.5%。
[0012]進一步，本發(fā)明所述應用中，弱酸性鎘污染土壤的pH值為4-6。
[0013]進一步，本發(fā)明所述應用中，酸性土壤鎘鈍化劑的撒施量為農(nóng)田土壤干重的0.5%-1.5%(根據(jù)土壤容重計算，即相當于800?2400kg/畝)。
[0014]進一步，本發(fā)明步驟A)中所述的生物碳，優(yōu)選農(nóng)作物秸桿、木肩、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物為原料加工制得的，制備條件為厭氧環(huán)境300-500°C。
[0015]本發(fā)明獲得的鈍化劑呈堿性，可以通過提高土壤的pH值，實現(xiàn)土壤中鎘離子從可交換態(tài)向更穩(wěn)定的形態(tài)轉化，提高鎘離子在土壤中穩(wěn)定性，實現(xiàn)對重金屬鎘中低度污染的酸性農(nóng)田進行穩(wěn)定化修復。改性生物炭是本發(fā)明鈍化劑的主要組成原料，生物炭具有巨大的比表面積和發(fā)達的微孔結構，能夠有效吸附、固持重金屬鎘離子，同時生物炭可以增加土壤中的有機質含量，與土壤鎘產(chǎn)生配位作用，游離的金屬離子與土壤有機質相結合，從而提高重金屬離子的穩(wěn)定性，因此針對弱酸性重金屬污染土壤有著高效的鈍化效果。
[0016]相比于現(xiàn)有鈍化劑，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
(I)本發(fā)明獲得的鈍化劑，針對弱酸性土壤中的鎘污染進行原位鈍化修復，可以實現(xiàn)對弱酸性土壤中的有效態(tài)鎘的高效鈍化，當鈍化劑施加量在土壤干重1.5%以上時，可以實現(xiàn)對有效態(tài)鎘鈍化達到90%以上，比常見鈍化劑修復效率高20%以上，滿足鎘污染弱酸性土壤高效快速修復的需求。
[0017](2)本發(fā)明提供的鈍化劑是由化學性質極其穩(wěn)定的改性生物碳和富含鈣、鎂、硅等元素的復配材料制備而成，可以長期有效的在土壤中存在，克服了現(xiàn)有鈍化劑不能夠長久有效地鈍化土壤中鎘的缺點，因此該鈍化劑對土壤中的鎘具有長期穩(wěn)定性的鈍化效果。
[0018](3)本發(fā)明的鈍化劑成本低廉、施用方法簡單，而且含有大量有機質及其它營養(yǎng)元素，為植物生長提供豐富的養(yǎng)分。
【附圖說明】
[0019 ]圖1不同鈍化劑對弱酸性土壤中有效態(tài)鎘鈍化效果。
[0020]圖2不同鈍化劑施加量對弱酸性土壤有效態(tài)鎘鈍化效果。
[0021 ]圖3不同反應時間鈍化劑對土壤中有效態(tài)鎘鈍化效果。
[0022]圖4不同鈍化劑施加量對小麥籽粒中鎘含量的影響。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發(fā)明進一步進行描述，但本發(fā)明并不限于下述實施例。
[0024]實施例中涉及材料、儀器來源:
生物碳購自于江蘇省溧陽市德勝活性炭廠，分別由秸桿為原料于300-500°C不等的厭氧環(huán)境中制備；
粉煤灰取自南京熱電廠；
鈣鎂磷肥(氧化鎂)購自湖南石門田園磷肥有限責任公司；
益土硅肥(氧化硅)購自遼寧省鞍山市秦和農(nóng)業(yè)科技有限公司；
生物有機肥購自福建綠洲生化有限公司；
土壤樣品:弱酸性鎘污染土壤樣品取自江蘇省南京市蔬菜基地，該土壤PH呈弱酸性(Ph=4.56),主要污染物為重金屬鎘2.67mg/kg，超過了我國土壤環(huán)境質量二級標準農(nóng)田土壤中污染物鎘的最高容許含量0.3mg/kg，會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及人體健康構成非常大的危害；
超聲波清洗機為KQ-800KDE型，購自昆山市超聲儀器有限公司；
微波化學反應器為MG08S型，購自南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司。
[0025]實施例1制備鈍化劑ND-1
(I)取10g于300°C制備的秸桿生物碳，研磨破碎，過80目尼龍篩；
(2 )將生物碳浸泡在終濃度為Imo 1/L硫化鈉和10%硫酸的混合溶液3個小時，生物碳與混合溶液的質量比為I: 3 ；
(3)將上述浸泡后的混合體系置于超聲波清洗機，超聲反應20min，超聲波功率為400W;然后將反應體系置于微波化學反應器中微波反應lOmin，微波功率600W;
(4)將上述微波反應完成的混合體系，通過抽濾將生物碳與混合溶液分離，用去離子水將生物碳洗至中性，在70°C烘箱烘干，得到改性物碳；
(5)將購買的氧化鈣、粉煤灰、鈣鎂磷肥、益土硅肥，按照一定比例復配得到富含鈣、鎂、硅的復合材料，使得復合材料中以質量百分數(shù)計，氧化鈣占30%，氧化鎂占5%，氧化硅占15%，余量為粉煤灰等礦質材料；
(6)將步驟(4)獲得的改性生物碳與復合材料(5)比例1:1混勻，即得到鈍化劑，本實施例獲得的鈍化劑自命名為ND-1。
[0026]實施例2制備鈍化劑ND-2
(1)取10g制備溫度為400°C的的秸桿生物炭，研磨破碎，過100目尼龍篩:
(2)將生物炭浸泡在lmol/L硫化鈉和10%硫酸混合溶液4個小時，生物炭與混合溶液的質量比為1:4;
(3 )將浸泡后的混合體系置于超聲波清洗機，超聲反應25min，超聲波功率為600W;然后將反應體系置于微波化學反應器中