一種緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑的制備及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域，具體涉及一種緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍 化劑的制備及使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)環(huán)境污染特別是土壤重金屬污染問題已越來越突 出。據(jù)估算，我國每年因重金屬污染的糧食達1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟損失超過200億元。 土壤環(huán)境質(zhì)量問題直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的安全，由土壤污染引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題和群 體性事件逐年增多，成為影響群眾身體健康和社會穩(wěn)定的重要因素。我國大面積的農(nóng)田土 壤重金屬污染，難以采用單一的修復(fù)技術(shù)方法解決問題。亟待開發(fā)一種能夠大面積推廣應(yīng) 用、成本較低、不誤農(nóng)時的農(nóng)田土壤重金屬治理技術(shù)方法，以降低農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量。
[0003] 重金屬鈍化技術(shù)被認為是治理農(nóng)田土壤重金屬污染最有效的措施之一。通過施用 土壤友好型調(diào)理劑，鈍化污染土壤重金屬，減小農(nóng)作物對重金屬的吸收，實現(xiàn)重金屬污染農(nóng) 業(yè)土壤的邊治理、邊生產(chǎn)，是土壤重金屬防治新的思路，既經(jīng)濟又安全。土壤重金屬鈍化技 術(shù)投入相對較低，修復(fù)效率高，操作簡單;對于大面積中低度重金屬污染土壤修復(fù)具有較好 的優(yōu)越性，可以滿足當(dāng)前我國農(nóng)田土壤重金屬污染治理以及保障農(nóng)產(chǎn)品安全需求。
[0004] 近年來，生物炭用于鈍化重金屬污染土壤受到越來越多的關(guān)注。由于生物炭表面 含大量的羧基、羥基和酸酐等多種基團以及負電荷、比表面積大、原料來源廣泛和價格低 廉，因而生物炭在土壤重金屬修復(fù)方面受到極大的重視和廣泛的研究。生物炭能夠提高酸 性土壤pH值，增加陽離子交換量，從而吸附土壤中的污染物和重金屬，降低Cd、Pb、Zn在農(nóng)作 物體內(nèi)的累積。但是由于As的移動性隨土壤pH的增加而增加，易于鍵合到土壤中具有陰離 子交換位的Fe、Al和Μη氧化物和氫氧化物上，這將意味著在土壤中添加生物炭不一定能夠 控制As的生物有效性。如Zheng等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用于重金屬污染的水稻土壤后對土壤 中的Cd、Zn、Pb和As的迀移能力產(chǎn)生影響，水稻根中Cd、Zn和Pb的濃度分別下降了 98%、83% 和72%，而砷的濃度增加了327%。由于大多數(shù)農(nóng)田土壤為重金屬復(fù)合污染，這也就對生物 炭鈍化農(nóng)田重金屬應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。
[0005] 雖然我們前期專利"一種鐵基生物炭材料、其制備工藝以及其在土壤污染治理中 的應(yīng)用（【申請?zhí)枴?01410538633.8)"對生物炭進行鐵基改性后，能很好的解決對土壤中砷鎘 復(fù)合污染同時鈍化的問題;但是其制備工藝較為復(fù)雜。同時由于大多數(shù)生物炭材料為疏松 多孔結(jié)構(gòu)，一旦施用土壤后很快就會與土壤溶液發(fā)生反應(yīng)，在很短的時間內(nèi)對重金屬的吸 附固定作用就會達到飽和。由于土壤具有較大的緩沖性能，土壤溶液中的重金屬離子在被 生物炭吸附后還會緩慢的從土壤膠體或土壤礦物中釋放出來。因此，如果直接將生物炭粉 施用于農(nóng)田，往往使用量較大;每畝用量有的達到1噸甚至數(shù)噸，才能對當(dāng)季水稻起到比較 好的抑制重金屬吸收積累的效果。到下一季水稻種植時又需要施用同樣高劑量的生物炭， 這不僅會造成資源浪費，還會增加勞動力投入。而且生物炭比較輕，直接施用容易形成揚 塵，不僅會造成浪費也會對施用者健康產(chǎn)生不利影響；同時在稻田施用也比較容易浮在水 面上，易在下風(fēng)向聚集造成施用不勻，也會隨排水流走造成浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種緩釋型鐵基 生物炭土壤重金屬鈍化劑的制備方法。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法制得的緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬 鈍化劑，這種材料以鐵基生物炭和生物淀粉為芯材，造粒后包裹一層殼聚糖硅膠復(fù)合膜;殼 聚糖硅膠復(fù)合膜包衣材料既克服了殼聚糖材料強度不夠，又避免了硅膠材料易斷裂的缺 點。
[0008] 上述鐵基生物炭芯材采用一步法制備，制備工藝簡單。采用本發(fā)明所制備得到的 緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑性能穩(wěn)定，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤重金屬鈍化、抑 制農(nóng)作物對重金屬吸收積累方面。該緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑產(chǎn)品與傳統(tǒng)土壤 鈍化劑相比，具有施用劑量低、對重金屬鈍化效果好且長期有效，對重金屬鈍化效果可以持 續(xù)作用2年以上;而且可以同時鈍化砷和鎘，可以應(yīng)用于復(fù)合重金屬污染農(nóng)田。
[0009] 本發(fā)明的再一目的在于提供一種緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑的使用方 法。
[0010] 本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0011] -種緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0012] (1)鐵基生物炭前驅(qū)物制備:將生物質(zhì)晾干并粉碎到合適的大小，置于高溫爐中， 在隔絕空氣的條件下，升溫至300°C~800°C，保持此溫度3~12小時，停止加熱，制得鐵基生 物炭前驅(qū)物；
[0013] (2)含鐵溶液配制:將鐵鹽或亞鐵鹽配制成含鐵質(zhì)量分數(shù)為0.5%~5%的溶液；
[0014] (3)鐵基生物炭制備：步驟（1)制備的鐵基生物炭如驅(qū)物在保持溫度80~350°C的 條件下，加入步驟(2)制備的含鐵溶液，邊加邊攪拌;鐵基生物炭前驅(qū)物和含鐵溶液質(zhì)量體 積比為1:0.2~1:5;攪拌均勻后冷卻至室溫，干燥、粉碎、過篩，制得鐵基生物炭材料；
[0015] (4)芯材制備:將步驟(3)制備的鐵基生物炭材料、高嶺土和生物淀粉按照質(zhì)量份 數(shù)100:0.5:1~100: 5 :10混勻，加水或噴水?dāng)嚢柚梁?0 %~80 %，造粒后干燥獲得芯 材；
[0016] (5)包膜材料制備：在55~75°C、攪拌的條件下，緩慢將殼聚糖溶液加入酸性硅溶 膠中，控制殼聚糖溶液和酸性硅溶膠體積比為1: 2~1: 5，加完后再于55~75°C加熱0.5~ lh，制得酸性包衣材料前驅(qū)物;在55~75°C、攪拌的條件下，向制得的酸性包衣材料前驅(qū)物 中緩慢加入乳化劑，控制乳化劑為殼聚糖質(zhì)量的0.5%~5%，攪拌均勻后加入堿性催化劑 進行催化，并保持55~75°C條件下攪拌1~1.5h，控制pH為9~11;真空除氣泡，制得堿性包 衣材料；
[0017] (6)緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑的制備:將步驟(5)制得的堿性包衣材料 對步驟(4)所制備的芯材進行包衣，控制芯材和堿性包衣材料的質(zhì)量體積比在30:1~5:1; 包衣后晾干制得成品緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑。
[0018] 上述制備方法所制得的緩釋型鐵基生物炭土壤重金屬鈍化劑，包膜厚的控制在 0·5~lmm〇
[0019] 步驟（1)中以5°C~10°C/分鐘速率升溫至300°C~800°C。
[0020] 步驟(1)中所述的生物質(zhì)優(yōu)選為廢棄的木本或草本植物根、莖和葉的一種或數(shù)種。
[0021] 步驟(2)中所述鐵鹽可以是氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵中的一種或幾種;所述亞鐵鹽 可以是氯化亞鐵、硝酸亞鐵、硫酸亞鐵中的一種或幾種。
[0022] 步驟(3)制得的鐵基生物炭材料含鐵質(zhì)量分數(shù)為0.5%~13% ;優(yōu)選2.5~7.5%。 [0023]步驟(3)中所述的鐵基生物炭前驅(qū)物的溫度保持為100~200°C。
[0024]步驟(3)中所述過篩是指過60目篩。
[0025]步驟(4)所述鐵基生物炭材料、高嶺土和生物淀粉的重量份數(shù)比為100:1:2~100: 2.5: 5〇
[0026]步驟(4)中所述的生物淀粉可以是玉米粉、紅薯粉、馬鈴薯或木薯粉。
[0027] 步驟(4)制得的芯材粒徑為3~5mm。
[0028] 步驟(5)中所述的乳化劑可