改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法
【专利摘要】本发明公开了一种改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属的方法，它是将63g沙子置于高25cm，直径3cm的PVC管中，高度为5cm，然后将隔层材料平铺于沙子之上，隔层材料高度为5cm，最后将70g堆肥置于堆肥隔层材料上，堆肥的高度为8cm；在PVC管上层表面播种0.3g高羊茅种子，用自来水浇灌所有的PVC管使堆肥与堆肥混合物的含水量保持在其田间持水量的60%，室内的温度和相对湿度分别为16-22℃，36-57%，用自来水浇灌所有的PVC管使堆肥与堆肥混合物的含水量保持在其田间持水量的60%，室内的温度和相对湿度分别为16-22℃，36-57%。本发明进一步公开了改型纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法在增加阻碍重金属淋溶迁移方面的应用。
【专利说明】改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护【技术领域】，涉及城市绿化，特别是改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法。
【背景技术】
[0002]碳黑在自然界广泛存在。早期对碳黑的研究主要集中在大气颗粒物的环境效应方面。土壤和沉积物中非水解有机碳占总有机碳含量的25.6%-70.5%,而碳黑占总有机碳含量的4.14%-16.2%之间。有研究迹象表明，碳黑对菲的吸附等温线能很好地拟合Freundiich方程。H2SO4改性后的碳黑对As5+的最大吸附量可达到62.52mg.g-1。针对纳米碳表面改性的方法主要有化学改性、物理改性、化学和物理联合改性、等离子体改性和电化学改性等。化学改性又分为氧化改性、还原改性、负载金属离子改性、添加N、F、Cl等杂原子改性。其中纳米碳的氧化改性主要是利用强氧化剂在适当温度下对纳米碳表面进行氧化处理，从而提高碳黑表面含氧酸性基团的含量，增强表面极性。目前，通过氧化改性提高活性炭表面酸性基团的改性剂主要有順03、H2O2^H2SO4, HC1、HC10、HF和O3等氧氧化碳黑，引入了梭基，其含量为6%。有人采用硝酸氧化碳黑，得到了高含量氧的碳黑，但其中有大部分为不溶物，影响了炭黑在水中的分散。用硝酸氧化制得的碳黑CBO表面引入了大量的含氧基团，如一C00H，一OH等，使得碳黑表面呈酸性，这些极性基团大大增强了其在水中的分散性能。纳米碳作为修复材料治理环境污染的研究还不是很多，还有研究用H2SO4改性的碳黑对离子态五价As的吸附,结果表明改性过的碳黑对As的最大吸附量可以达到62.52mg.g' 丁春生等(2011)使用KMnO4对碳黑进行氧化改性，使其对Pb2+的吸附去除率达到94%。王汉卫(2009)在土壤中分别添加1%、3%、5%用HNO3改性的纳米碳后，土壤有效态Cu分别降低了 47.26%、72.01%、80.89%，有效态 Zn 分别降低了 3.00%、17.71%、43.61 V0o
[0003]到目前为止，将纳米碳作为修复材料用于堆肥治理的研究非常缺乏。显然，纳米碳高比表面积、高反应活性和强吸附特性等的特点，对重金属的吸附固定能力要大于一般粒径的吸附材料。将纳米碳应用于堆肥重金属污染修复中，可以避免给堆肥带来不良影响，这是以石灰、蛙石、沸石等作为钝化剂地方法无法比拟的。这将发展成为一种低成本和环境友好的原位钝化重金属的技术，为纳米碳在环境污染治理中的应用提供新的发展空间。
[0004]研究发现EDTA与DTPA对土壤中各重金属离子的活化能力较强，特别是对Pb、Zn、Cr等。螯合剂的使用通常会对植物产生毒害作用，如引起植物的黄化、萎蔫，甚至是死亡(胡亚虎等，2010)。因此，施用络合剂时，在浓度选择上，一定要慎重。廉菲等(2005)在实验中发现当EDTA浓度小于等于10 mmol.kg-1时，EDTA对植株生长的抑`制作用，应该说还是在可以接受的范围之内，并且可以有效增大植物地上部分重金属富集量。沈志平等(2013)发现DTPA能显著增加Cd、Cr、Cu、Pb和Zn在高羊茅地上部的富集，但浓度为20 mmol.kg—1与10 mmol.kg—1 DTPA对高羊茅地上部重金属的富集差异不显著，但高浓度的DTPA抑制了植株的生长，因此，浓度为10 mmol *kg_1的DTPA应当是最好的选择。被络合剂活化的重金属在土壤中的移动性显著增强，因此当络合剂被用于植物修复中时很可能会造成重金属向深层土壤淋溶迁移，以至于污染地下水。可见，淋溶问题不能解决，EDTA与DTPA有效协同富集就不能实现。
[0005]本实验采用不同隔层的草坪渗漏体系，即锯末与不同改性纳米碳混合隔层，协同
10mmol.kg—1 EDTA和10 mmol.kg—1 DTPA，提高含有高浓度重金属的堆肥植物修复能力，研究了此渗漏体系阻隔重金属淋溶迁移的可行性。
[0006]将城市垃圾堆肥作为草坪基质，不仅可以避免草皮起皮对土壤的伤害，还解决了垃圾堆肥的出路问题。堆肥含有丰富的养分，是替代土壤作为草坪基质的较理想材料，一些草坪植物种能够在重金属污染较重的基质中生长，且生长速度快、再生能力强，堆肥的土地利用具有非常重要的意义。运用钝化法修复城市垃圾堆肥中的重金属具有较大的应用价值。因此城市堆肥作为草坪基质的同时其重金属又能得到草坪植物的修复。
[0007]但是纳米碳用于草坪堆肥基质，实现重金属的钝化修复的研究还尚无文献报道。利用纳米碳高比表面积、高反应活性和强吸附特性等，通过化学改性使之进一步加强，通过其吸附作用，降低堆肥重金属的生物有效性，无疑是一种协同植物联合螯合剂修复堆肥重金属有效技术。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法。
[0009]本发明在优化实验的基础上，通过采用不同方法对纳米碳进行改性，对比了不同改性纳米碳对堆肥重金属的钝化作用；并将各种改性纳米碳分别与锯末成比例混合做隔层，协同螯合剂，探究改性纳米碳作为隔层的渗漏体系对阻隔重金属淋溶的可行性；在早期实验的基础上，通过不同改性纳米碳对堆肥重金属各个形态影响的初步研究，更进一步对比了不同改性纳米碳对重金属的钝化效果，得出效果最优的改性纳米碳，为指导农业生产提供依据。
[0010]为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案:
一种改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法，其特征在于按如下的步骤进行:
(1)材料的处理:
实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用；垃圾堆肥理化性质为:pH 7.62，有机质含量221.25 g.kg—1，全氮13.48 g.kg'有效磷 0.078 g.kg' C/N 是 8.37，饱和含水量 0.76 mL.g_\ 容重 0.85g.ml/1 ;重金属(0、01、？13、211)含量分别为 67.00、238.73,172.11 和 496.38 mg.kg-1 ;植物选用高羊茅arundinacea L )；
纳米碳粒径20-70 nm,比表面积为1.2 X IO5 m2.1^，ρΗ值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMn04、H2SO4或HNO3改性的纳米碳；
人造雨水的组成成分为(mg/L)，NO3-:1.94 ; ΝΗ4+:0.49 ； Na+: 1.87 ；Mg2+:0.25 ；Ca2+:0.29; Cl —:3.41; S042 —:2.65; pH:4.40;
(2)实验方法:
I)草坪基质渗漏体系设计淋溶实验在室内自然光下进行，将63 g沙子置于高25 cm，直径3 cm的PVC管中，高度为5 cm，然后将隔层材料平铺于沙子之上，隔层材料高度为5 cm，最后将70 g堆肥置于堆肥隔层材料上，堆肥的高度为8 cm;在PVC管上层表面播种0.3 g高羊茅种子，用自来水浇灌所有的PVC管使堆肥与堆肥混合物的含水量保持在其田间持水量的60%，室内的温度和相对湿度分别为16-22°C，36-57% ;所述的隔层材料:..............................
【权利要求】
1.改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法，其特征在于按如下的步骤进行: (1)材料的处理: 实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的杂物，风干后，过2 _筛，备用；植物选用高羊茅arundinacea L );纳米碳粒径 20-70 nm,比表面积为 1.2 X IO5 m2.kg-1,pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMn04、H2SO4或HNO3改性的纳米碳； 人造雨水的组成成分为(mg/L)，NO3-:1.94 ; ΝΗ4+:0.49 ； Na+: 1.87 ；Mg2+:0.25 ；Ca2+:0.29; Cl —:3.41; S042 —:2.65; pH:4.40; (2)实验方法: 1)草坪基质渗漏体系设计 淋溶实验在室内自然光下进行，将63 g沙子置于高25 cm，直径3 cm的PVC管中，高度为5 cm，然后将隔层材料平铺于沙子之上，隔层材料高度为5 cm，最后将70 g堆肥置于堆肥隔层材料上，堆肥的高度为8 cm;在PVC管上层表面播种0.3 g高羊茅种子，用自来水浇灌所有的PVC管使堆肥与堆肥混合物的含水量保持在其田间持水量的60%，室内的温度和相对湿度分别为16-22°C，36-57%;
2.权利要求1所述改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法在提高高羊茅对重金属富集方面的应用，所述的以锯末+ HNO3改性纳米碳做隔层对高羊茅地上部分重金属Cd、Zn、Cu的富集量作用显著，锯末+ H2SO4改性纳米碳使高羊茅地上部分重金属Cu的富集量作用显著；以锯末+KMnO4改性纳米碳做隔层使高羊茅地上部分重金属Cr，Pb，Zn的富集量作用显著。
3.权利要求1所改性纳米碳联合草坪草及螯合剂阻隔富集堆肥重金属方法在增加阻碍重金属淋溶迁移方面的应用，其中隔层为锯末+ HNOji性纳米碳使渗滤液中重金属Cd，Cr，Pb，Zn的含量作用显著；隔层为锯末+ KMnO4改性纳米碳使渗滤液中重金属Cu的含量作用显 著。
【文档编号】C05F9/00GK103819233SQ201410086699
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】赵树兰, 多立安, 贺璐 申请人:天津师范大学