破壳剂及应用的制作方法

本发明涉及污染土壤改良与修复技术领域，具体是涉及一种破壳剂及应用。

背景技术：

辽宁的菱镁矿储量、产量均居中国和世界首位。矿产资源的开发利用,给人类提供了各种物质和能源,同时也带来了诸多环境问题,土壤污染问题就是矿业活动中的一个突出问题。据资料显示，皮江法炼镁要产生大量废渣，每吨镁还原渣约6.5t。据估计1万吨废渣占地约1亩，2001年我国产镁21.6万吨，占用土地140亩。菱镁矿区周围土壤表面常见坚硬而紧实的结皮，严重地区结皮最厚达到了10cm。镁污染使土壤质量下降，农作物减产，污染程度加剧，植物种类逐渐减少，受污染严重区域植物几乎不能生存，仅有少量灌木和幼松树存活，给农业生产造成巨大的经济损失。受到镁粉尘污染使土壤中的镁含量急剧升高，并且引起土壤物理、化学和生物等指标恶化。植物中镁过量时，植物叶缘焦枯，影响植物对氮、磷、钾、钙等离子的吸收，导致植株生长发育受阻、开花少、品质降低、产量减少。

菱镁矿区土壤镁污染主要是由于采矿活动中产生的大量氧化镁和碳酸镁粉尘沉降至附近地表，雨滴的打击压实以及团聚体的物理与化学分散造成这些粉末随水流进入土壤孔隙，造成土壤孔隙下降，渗透速率降低，形成土壤结皮，以及土壤质量的退化。

镁污染土壤具有地区性，而且镁是地壳中大量存在的金属元素，也是植物所需的中量营养元素。从修复效果和经济可行性角度来看，化学改良法是修复镁污染土壤的主要手段。聚丙烯酰胺(PAM)作为土壤结构改良剂，可以增加土壤表层颗粒间的凝聚力，维系良好的土壤结构，防止土壤结皮形成，增加土壤的入渗率，减少地表径流以及防止土壤流失。它也被广泛应用于土壤改良与水土流失。石膏溶解后，土壤表面电解质浓度升高，阻碍了粘粒的分散和结皮的形成。归根结底，菱镁矿区镁粉尘沉降是板结形成的最根本原因。只有建立形影的法规，限制粉尘排放量才能从根本上解决周围土壤的板结现象，而现有结皮的破除与修复已成为目前必须面对的主要问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种破壳剂及其应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种破壳剂，破壳剂是一种混合粉末，为石膏(CaSO₄)和聚丙烯酰胺(PAM)混合物，其中聚丙烯酰胺(PAM)为高分子聚合物，单体为丙烯酰 胺，分子式为：

一种破壳剂的应用，所述石膏(CaSO₄)和聚丙烯酰胺(PAM)用于菱镁矿区土壤表面，作为抑制土壤表面结皮的破壳剂，同时石膏中释放的钙离子能交换土壤中交换态镁，阻碍土壤结皮进一步的发育，进而改善菱镁矿区土壤质量。

所述破壳剂施入在菱镁矿区土壤表层0-5cm处。

所述破壳剂为聚丙烯酰胺和石膏的混合粉末，每400g待试土壤中加入0.01g聚丙烯酰胺(PAM)和3g-5g石膏(CaSO₄)。

石膏中所含高价离子的介入可降低土壤胶体表面由于负电荷相互排斥而产生的电位势，促进土壤胶体由于相互吸附而凝聚，有利于土壤团粒结构的形成，增加孔隙度，降低土壤容重，提高土壤持水性能。

渗透速度是用来衡量水溶液透过土壤的能力，它也是土壤中有效孔隙的总空间与孔隙传导度的指标。在降雨发生初期，具有良好结构的土壤渗透速率高。但随着降雨的进行，土壤发生熟化并分散，降低了孔隙空间，促使了结构型和沉积型结皮形成。随着孔隙空间的减少，渗透速率一直下降直至结皮形成后的土壤最终渗透速度。利用渗透率量化土壤表面结皮，研究破壳剂石膏和PAM混合物对土壤渗透率性能的影。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种高分子聚合物，在水的润湿下，PAM开始反应，由颗粒状变成多枝纤维状，将土壤颗粒紧紧缠绕，同时吸收水分发生膨胀。阴离子型PAM，与土壤粘粒表面相似，具有一定的负电荷。因此它被土壤粘粒所排斥。但是它通常会与一些负电荷点位以离子架桥的形式相结合(Laird,1997)。每个二价阳离子的正电荷均与一个阴离子电荷相结合。这些阴离子电荷要么是土壤粘粒，要么就是PAM。因此在PAM或者土壤粘粒上附着的二价阳离子将促进土壤胶团的稳定。阴离子型PAM缓解了土壤团聚体的物理-化学分解并抑制了结皮的形成，从而可以增加土壤的入渗能力，降低地表径流。

降雨导致石膏溶解，使得土壤表面的溶液中电解质浓度升高，释放的钙离子交换土壤溶液中交换态镁，阻碍了土壤粘粒的分散和结皮的进一步发育。

本发明所具有的优点：

1.本发明是采用PAM和石膏混合物，其中PAM是一种线型高分子聚合物，它易溶于水，其水溶液几近透明的粘稠液体，属非危险品，无毒、无腐蚀性，固体PAM有吸湿性，吸湿性随离子度的增加而增加，PAM热稳定性好。PAM能使悬浮物质通过电中和、架桥吸附等起絮凝作用。

2.本发明是采用PAM和石膏混合物，其中石膏分布广泛，无毒且属非危 险品，在农业上，石膏经常作为土壤肥料，能够改良碱性土壤。

3.本发明方法操作方便易行，采用室内土柱模拟淋洗实验，可以控制环境条件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的对照土壤渗透速度的变化图。

图2为本发明实施例提供的氧化镁粉末与土壤混合形成结皮覆盖土壤对土壤渗透性能的影响图。

图3为本发明实施例提供的硫酸钙对土壤渗透速率的影响。

图4为本发明实施例提供的经过3g硫酸钙和0.1gPAM处理条件下，土壤渗透性能的影响图。

图5为本发明实施例提供的经过4g硫酸钙和0.1gPAM处理条件下，土壤渗透性能的影响图。

图6为本发明实施例提供的经过5g硫酸钙和0.1gPAM处理条件下，土壤渗透性能的影响图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

实验地点设在中国科学院沈阳生态站内，采用人工填充土柱进行渗透实验的方法，土壤采自海城市八里镇。供试土壤理化性质：pH为8.36，有机质为6.7g/kg，总镁含量为18.07g/kg，粘粒39.2％，粉粒41.6％，沙砾19.3％，水溶态镁33.53％，水溶态钙25.86％，交换态镁1.77％，交换态钙1.29％。采集的土壤放于室内自然风干，一周后用研钵磨细，使其全部过2mm筛，备用。

土壤改良剂的施加：

对照组1：备用土壤称重505g装入内径为5cm的有机玻璃柱作为对照，填充高度约为25cm，使得土壤容重约为1.15g cm^-3。

对照组2：称取400g土壤置于土柱中，在土柱表面撒100g土壤和5g氧化镁粉末和4g硫酸钙的粉末。镁粉尘为海镁总厂生产的轻烧氧化镁粉末。氧化镁粉末中氧化镁百分含量为：97％，粒径约为5μm。

试验组：称取400g土壤置于土柱中，在土柱表面撒100g土壤和5g氧化镁粉和0.1gPAM和3g硫酸钙的混合粉末。镁粉尘为海镁总厂生产的轻烧氧化镁粉末。氧化镁百分含量为：97％，粒径约为5μm。

将填充好的土柱浸入水中，注意水面不要超过土柱，浸泡12h后取出，挂在适当位置，待重力水滴完。用蒸馏水进行土柱渗透实验，其间保持稳定的5cm深水层，待漏斗下面滴下第一滴水时开始计时，在渗透速度达到稳定时停止渗透，实验一般30min到1h即开始稳定，注意要迅速将水头加至5cm深度。

为模拟真实条件下土壤渗透，本实验仍然模拟了自然条件下干湿交替后，土壤渗透速度的变化。初次渗透实验结束后，将土柱置于室外自然风 干一周后，重复渗透实验步骤。

计算渗透速率：f_t＝f₀t^-α

通过渗透速率的高低判断土壤结皮的发育，速率越高则结皮发育越差，反之结皮发育较好。

从图3中可以看出，CaSO₄的添加对土壤的渗透性能影响不大。与未施加任何改良剂的土壤相比(图2)，第一次淋洗时的初始渗透速度从2.35mm min^-1降低到0.91mm min^-1，最终渗透速度从1.13mm min^-1降低到0.70mm min^-1。而经过干湿交替后，第二次和第三次的初始渗透速度略有上升，分别从0.78mmmin^-1增加到0.82mm min^-1，0.45mm min^-1增加到0.60mm min^-1。最终渗透速度也表现出相同的规律。结皮-土柱渗透速度增加并不显著，其中原因可以归结为MgO的特性与硫酸根的溶出，在水的作用下生成3.1.8相硫氧镁水合物，它具有针网状结构，拦截从上层迁往下层的物质，降低土壤孔隙度，对土壤结皮改良的效果并不明显。

CaSO₄和PAM混合施用对土壤渗透性能的改良效果优于仅施加CaSO₄的处理。这与PAM的絮凝保水性能有关。第一次淋洗时的初始渗透速度为0.96mm min^-1，虽然第二次淋洗时的初始渗透速度略有下降，但经过两次干湿交替后，第三次淋洗的初始渗透速度为0.72mm min^-1。通过对比结果，可以推断在降雨初期(即第一次淋洗)，CaSO₄溶解与Mg(OH)₂形成3.1.8相硫氧镁水合物，渗透速度低于对照土壤。在PAM的作用下，渗透速度略有提高。但是PAM的改良效果不及硫酸根对结皮形成的促进作用，因此PAM的改良效果并没有体现出来。随着干湿交替的进行，PAM抑制土壤颗粒分散的作用逐渐体现出来，加之CaSO₄中释放的钙离子交换土壤溶液中交换态镁，阻碍了土壤结皮进一步发育，土壤渗透速度有所上升(图4)。

实施例2

供试土壤理化性质和土柱填充同实施例1，不同之处在于：

试验组：称取400g土壤置于土柱中，在土柱表面撒100g土壤、5g氧化镁粉末、0.1gPAM和4g硫酸钙，均匀混合，撒于土柱中土壤的表面。渗透实验条件和干湿交替方法同实施例1。第一次淋洗时的初始渗透速度为0.9mm min^-1，第二淋洗时的初始渗透速度0.74mm min^-1，经过两次干湿交替后，第三次淋洗的初始渗透速度为0.7mm min^-1。通过对比结果，渗透速度略有提高。随着干湿交替的进行，PAM抑制土壤颗粒分散的作用逐渐体现出来,且石膏增加钙离子的增加，土壤渗透速度相比于实施例1增加8％(图5)。

实施例3

供试土壤理化性质和土柱填充同实施例1，不同之处在于：

试验组：称取400g土壤置于土柱中，在土柱表面撒100g土壤、5g氧化镁粉末、0.1gPAM和5g硫酸钙，均匀混合，撒于土柱中土壤的表面。渗透实验条件和干湿交替方法同实施例1。通过三次淋洗和两次干湿交替，渗透速率相比于实施例1增加10％(图6)。