一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法及其产品与流程

文档序号:22683856发布日期:2020-10-28 12:48阅读:200来源:国知局
一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法及其产品与流程

本发明涉及土壤修复技术领域,特别是涉及一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法及其产品。



背景技术:

重金属作为生态圈中一种无法被降解的特殊污染物,其污染特点具有污染隐蔽、污染范围广、污染时间长和污染的不可逆性等特点。农业生产赖以利用的各种有机肥及化学药剂如杀虫剂、除草剂、杀菌剂的长期使用,以及污水、废水的灌溉条件造成了集约化农业土壤中重金属的积累。重金属元素将通过土壤溶液的形式渗入地下水形成有毒物质,或被植物吸收以植株或农产品形式进入食物链。重金属在作物中的积累将导致植物汲养和代谢的紊乱,这种毒害作用将直接导致作物的死亡进而形成大规模减产;同时,农作物的重金属富集危及食品安全,重金属污染的食品将严重损害人体健康如肾脏、骨骼、神经系统和生殖系统,并且土壤重金属的富集将严重影响土壤微生物多样性和功能,导致土壤生态的失调,产生一系列连锁的土壤问题。

因此,重金属土壤修复问题刻不容缓。针对重金属土壤问题已开发出多种补救技术,如离子交换法、化学沉降法、膜过滤法和生物降解法,但此类方法程序复杂、技术条件苛刻,并不能用于广泛的土壤修复需求。

目前,大多数重金属土壤调理剂并不能协调重金属吸附和土壤调理的关系,并且重金属吸附能力和调理剂酶活并不理想。因此,以酱油渣开发一种取材方便廉价、制作简、高酶活且对重金属土壤有着卓越改良能力的生物炭复合土壤调理剂的意义重大。



技术实现要素:

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题,提出了本发明。

因此,本发明的目的是,克服现有技术中的不足,提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法。

为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括,原始酱油渣生物炭的制备:将酱油渣烘干至恒重,研磨过筛,将得到的酱油渣粉末,在n2填充下以10℃/min升温至600℃炭化处理2h后,以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭;炭化后改性除盐:将原始酱油渣生物炭在去离子水中浸泡,再与h3po4溶液浸泡,过滤,将酱油渣生物炭以去离子水清洗至中性且无盐,得改性酱油渣生物炭;生物酶剂制备:将蚯蚓超声波处理,再将得到的蚯蚓及粘液混合物经冷风干燥、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂;土壤改良剂复合方法:按重量份数计,将14~15份改性酱油渣生物炭和3~5份生物酶剂均匀混合,烘干至恒重,即得酱油渣生物炭重金属土壤改良剂。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述将酱油渣烘干至恒重,研磨过筛,其中,烘干温度为50~80℃,研磨过筛为过80目筛。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述将原始酱油渣生物炭于去离子水中浸泡除盐,浸泡时间为5~10h,去除70%以上食盐,再于h3po4溶液浸泡,其中,按重量份数计,每份酱油渣粉末浸于3份质量浓度75%h3po4溶液中。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述h3po4溶液浸泡,其中,浸泡时间为10~12h。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述蚯蚓超声处理,其中,按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,超声波频率为30~45khz,超声处理次数为3次,每次超声时间为20s。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述将得到的蚯蚓及粘液经冷风干燥,其中,冷风干燥温度为10~15℃,干燥时间为5h。

作为本发明所述酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述土壤改良剂复合后烘干的温度为50~60℃。

本发明的再一个目的是,克服现有技术中的不足,提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法制得的产品。

本发明增益效果如下:

(1)本发明制备了一种具有高吸附活性的酱油渣生物炭重金属土壤改良剂,其高吸附活性在于对酱油渣的改性得以制备结构疏松、多孔径、比表面积较大、表面吸附活性较强的高质量的生物炭;此外,相对于传统生物炭,酱油渣自身所含食盐及h3po4改性形成使酱油渣生物炭表面积更大、表面活性吸附基团更密集,对重金属的吸附强度更高,吸附效率更快。

(2)本发明的酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的工艺简单且高效,其高效性在于:酱油渣生物炭的盐成分将溶于水和浸泡液中,制成生物炭后除盐效率增高,在达到除盐目的的同时,盐成分的析出将为酱油渣生物炭留下丰富的孔隙结构,这将增加生物炭表面的复杂的孔隙结构和比表面积,增强其吸附能力;本发明利用酱油渣自身食盐含量高的特点制备生物炭,大大提高了生物炭吸附效率。

(3)本发明制备了一种具有高酶活土壤改良特性的酱油渣生物炭重金属土壤改良剂,其高酶活在于:以蚯蚓制作的生物酶剂具有丰富的生长因子、核酸衍生物、维生素、氨基酸、类脂、无机盐和完整的生物酶系。这不仅促进了土壤营养元素、土壤结构和土壤有益微生物菌群的改良,更直接促进了植株的生长发育。而冷风干燥、低温浸提和烘干的工艺手段使高酶活得以保持。以蚯蚓生物酶剂依附生物炭相对于传统的活体蚯蚓改良生物炭具有更高的改良效率、更均匀的改良特点和改良后的生物炭具有更强的吸附能力的特点。

(4)酱油渣生物炭重金属土壤改良剂对cu、cd、pb、zn和as去除率稳定在94.53~96.91%,是传统秸秆生物炭去除率的1.9~2.2倍;重金属污染下植株(菠菜)内重金属含量降低了94.5%;与原始土壤相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂作用后的重金属土壤的碱解氮、速效钾和速效磷分别提高了1.31倍、1.24倍和1.28倍;出苗率、株高、根长和单株质量分别提高了1.78倍、2.17倍、2.05倍和6.11倍;这意味着此生物炭改良剂可以将重金属土壤恢复至原始土壤水平,甚至超越原始土壤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:

图1为本发明不同实施例处理下土壤中有效态重金属含量对比图。

图2为本发明物料配比及工艺条件范围对重金属吸附率影响对比图

图3为本发明各实施例重金属土壤菠菜植株重金属含量对比图。

图4为本发明各实施例下重金属污染土壤普通菠菜出苗率及农艺性状对比图。

图5为本发明各实施例下重金属土壤营养成分变化对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明中所用材料:

酱油渣:天津市利民调料有限公司,普通市售;蚯蚓:赤子爱胜蚓,天津市东丽区成功蚯蚓养殖场,普通市售;

本发明中所用设备:热风干燥设备:gzx-9070mbe,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;粉碎机:fz-102,天津市泰斯特仪器有限公司;炭化设备:otf-1200x管式炉,合肥科晶材料技术有限公司;含盐量测定仪:ky-4,江苏科苑电子仪器有限公司;超声处理设备:zollo-s650ct高频恒温提取机,上海左乐仪器有限公司;冷风设备:lg-2000冷风干燥机,大连亿联科技股份有限公司;icp-ms:qp2010plus,日本岛津公司;

其他原料与设备无特殊说明,均为普通市售。

实施例1

本实施例提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)原始生物炭的制备:将酱油渣80℃烘干至恒重并研磨过80目筛,将酱油渣粉末n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(2)炭化后改性除盐:按重量份数计,每份原始酱油渣生物炭浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上,再与3份75%h3po4溶液中进行10h浸泡改性及进一步脱盐,滤出生物炭以去离子水清洗至中性。

(3)生物酶剂制备:按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,以40khz超声频率处理3次,每次间隔5min,每次处理20s,将超声处理后的蚯蚓混合物经15℃冷风干燥5h、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂。

(4)土壤改良剂复合方法:按重量份数计,以改性并除盐的酱油渣生物炭15份和生物酶剂4份均匀混合,并以60℃烘干至恒重,即得酱油渣生物炭重金属土壤改良剂。

实施例2

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中生物炭15份,生物酶剂5份,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中生物炭15份,生物酶剂3份,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中生物炭14份,生物酶剂3份,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中生物炭14份,生物酶剂4份,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例6

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中生物炭14份,生物酶剂5份,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例7

本实施例提供一种玉米秸秆生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)原始生物炭的制备:将玉米秸秆以80℃干燥至恒重并研磨过80目筛,秸秆粉末在n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(2)炭化后改性:按重量份数计,每份原始秸秆生物炭浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上,再与3份75%h3po4溶液中进行10h浸泡改性及进一步脱盐,滤出生物炭以去离子水清洗至中性。

(3)生物酶剂制备:按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,以40khz超声频率处理3次,每次间隔5min,每次处理20s,将超声处理后的蚯蚓混合物经15℃冷风干燥5h、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂。

(4)土壤改良剂复合方法:按重量份数计,以改性的玉米秸秆生物炭15份和生物酶剂4份均匀混合,并以50~60℃烘干至恒重,即得玉米秸秆生物炭重金属土壤改良剂。

实施例8

本实施例提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)原始生物炭的制备:将酱油渣80℃烘干至恒重并研磨过80目筛,将酱油渣粉末n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(2)炭化后改性除盐:按重量份数计,每份原始酱油渣生物炭浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上,再与3份75%hcl溶液中进行10h改性及进一步脱盐,滤出生物炭以去离子水清洗至中性。

(3)生物酶剂制备:按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,以40khz超声频率处理3次,每次间隔5min,每次处理20s,将超声处理后的蚯蚓混合物经15℃冷风干燥5h、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂。

(4)土壤改良剂复合方法:按重量份数计,以改性并除盐的酱油渣生物炭15份和生物酶剂4份均匀混合,并以50~60℃烘干至恒重,即得酱油渣生物炭重金属土壤改良剂。

实施例9

本实施例提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)炭化前改性除盐:按重量份数计,每份酱油渣浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上,再与3份75%h3po4溶液中进行10h改性及进一步脱盐,滤出生物炭以去离子水清洗至中性。

(2)原始生物炭的制备:将改性除盐的酱油渣80℃烘干至恒重并研磨过80目筛,将酱油渣粉末n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(3)生物酶剂制备:按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,以40khz超声频率处理3次,每次间隔5min,每次处理20s,将超声处理后的蚯蚓混合物经15℃冷风干燥5h、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂。

(4)土壤改良剂复合方法:按重量份数计,以改性并除盐的酱油渣生物炭15份和生物酶剂4份均匀混合,并以50~60℃烘干至恒重,即得酱油渣生物炭重金属土壤改良剂。

实施例10

本实施例提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)原始生物炭的制备:将酱油渣80℃烘干至恒重并研磨过80目筛,将酱油渣粉末n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(2)炭化后改性除盐:按重量份数计,每份原始酱油渣生物炭浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上。

(3)生物酶剂制备:按重量份数计,将每份蚯蚓浸于0.5份蒸馏水中,以40khz超声频率处理3次,每次间隔5min,每次处理20s,将超声处理后的蚯蚓混合物经15℃冷风干燥5h、研磨粉碎过80目筛,即得生物酶剂。

(4)土壤改良剂复合方法:按重量份数计,以改性并除盐的酱油渣生物炭15份和生物酶剂4份均匀混合,并以60℃烘干至恒重,即得酱油渣生物炭重金属土壤改良剂。

实施例11

本实施例提供一种酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的制备方法,包括:

(1)原始生物炭的制备:将酱油渣80℃烘干至恒重并研磨过80目筛,将酱油渣粉末n2填充下以10℃/min升温至600℃并保持2h,随后以10℃/min降温至300℃并恒温30min,自然降温冷却至室温,即得原始酱油渣生物炭。

(2)炭化后改性除盐:按重量份数计,每份原始酱油渣生物炭浸于去离子水中,直至食盐含量去除率达到70%以上,再与3份75%h3po4溶液中进行10h改性及进一步脱盐,滤出生物炭以去离子水清洗至中性。

(3)将改性除盐生物炭与蚯蚓按照质量比7:3混合,27℃进行5天高密度培养后,将成熟的培养体系以50~60℃干燥至衡重,并粉碎研磨至80目,即得生物改良的酱油渣生物炭重金属土壤修复剂。

实施例12

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中酱油渣的炭化温度为500℃,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例13

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中酱油渣的炭化温度为700℃,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例14

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中处理蚯蚓的超声频率为30khz,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例15

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中处理蚯蚓的超声频率为35khz,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例16

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中处理蚯蚓的超声频率为45khz,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例17

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中原始酱油渣的改性除盐以1份生物炭浸于1份磷酸中,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例18

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中原始酱油渣的改性除盐以1份生物炭浸于2份磷酸中,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

实施例19

本实施例与实施例1相比,酱油渣生物炭重金属土壤改良剂中原始酱油渣的改性除盐以1份生物炭浸于4份磷酸中,其他制备工艺条件均与实施例1相同。

本发明以盆栽土培菠菜得方式验证酱油渣生物炭重金属土壤改良剂对重金属土壤得修复程度。以外源20mg/ml铜、镉、铅、锌、砷重金属溶液各每种取1ml定容到500ml,并以喷雾形式分别均匀混于每盆2kg的土壤,室温平衡40天。

本发明各实施例均按照重金属土壤:重金属土壤与土壤修复剂按照质量比15:1的比例混匀后浇水,并保持土壤含水量保持在75%。

本发明以普通四季菠菜播种,发芽后每种实施例的每盆重金属污染的土壤选取较好植株保留5株,培养60日。种植结束的菠菜以105℃烘干至恒重,将其磨碎后的粉末浸于hno3-hclo4消煮,以火焰原子吸收光谱法测定植株各重金属含量。

本发明将收获后的不同实施例土壤进行风干研磨、过100目筛。以dtpa浸提、石墨炉原子吸收光谱法测定重金属含量;采用1.0mol/l的naoh扩散法测定碱解氮;采用nahco3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷;采用火焰光度法测定速效钾。以同样的方法制备不做任何添加的土壤和只添加重金属的土壤作为两组对照。

图1为不同实施例处理下土壤中有效态重金属含量对比图。可以看出,生物酶剂的分解作用与生物碳表面活性基团的吸附作用相互协同,因此最佳实施例1的重金属吸附能力最强,并表现出与原始土壤相似的重金属含量。其他生物炭与生物酶剂的配比则打破了此协同作用的平衡,导致了重金属吸附能力减弱;实施例9炭化前除盐不能形成盐分给生物炭带来的丰富的孔径,相对于炭化后改性除盐的实施例1的重金属吸附能力也大大减弱。未用磷酸改性除盐的实施例10因其表面缺乏活性官能团而吸附能力明显降低。由于盐酸改性不能在生物炭表面形成含氧活性基团,并且盐酸溶液不利于盐分的析出和孔径的形成,盐酸改性除盐的实施例8降低了改良剂重金属吸附能力。相对于复合生物酶剂的酱油渣生物炭实施例1,以蚯蚓生物改良的酱油渣生物碳实施例11的重金属吸附能力明显下降,可能由于以生物酶剂复合生物炭突破了蚯蚓活动和进食的限制性。

图2为物料配比及工艺条件范围对重金属吸附率影响对比图。按重量份数计,生物炭15份、生物酶剂4份配制的改良剂对重金属吸附效果最强;炭化温度为600℃时的改良剂对重金属吸附能力最强;超声处理蚯蚓的频率在40khz时的改良剂对重金属吸附能力最强;打破最佳条件范围则导致改良剂的重金属吸附能力急剧下降。按重量份数计,改性除盐时磷酸与生物炭的份数比升高会使改良剂的重金属吸附能力增强,但超过3:1的份数比后的吸附增强效果并不明显;

图3为各实施例重金属土壤菠菜植株重金属含量对比图,其中实施例1植株中重金属含量最低,这体现了本发明酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的优越的吸附能力,这促进了土壤中重金属的钝化沉淀,并避免了二次污染。

图4为各实施例下重金属污染土壤普通菠菜出苗率及农艺性状对比图,可以看出,实施例1表现出最高的出苗率和最卓越的农艺性状,甚至超过原始土壤。这说明本发明的酱油渣生物炭重金属土壤改良剂的配置合理性和功能全面性。

图5为各实施例下重金属土壤营养成分变化对比图,可以看出,实施例1的土壤成分最优,碱解氮、速效钾和速效磷的含量最高。附有生物酶剂的酱油渣重金属土壤改良剂可以有效提升土壤中可利用营养成分。

酱油渣是一种经历了微生物的发酵改性作用,具有丰富的木质素、纤维素和半纤维素的一种高盐废料,但这也是优良生物炭形成的必要条件。工业化生产酱油导致酱油渣的大量堆置而产生严重的环境污染,以酱油渣制备生物炭是一种变废为宝的改善方式。

本发明以磷酸浸泡的方式在对酱油渣化学改性的同时浸出酱油渣生物炭的盐分,磷酸浸泡会清洗掉生物炭表面的可溶性杂质提高生物炭比表面积,并为生物炭表面增加丰富的活性基团;炭化降低了酱油渣成分的复杂程度,更有利于盐分的析出,同时盐分的析出会使生物炭形成多孔隙结构,提高比较面积和吸附能力;炭化后改性吸附这种操作简单、高效。相对于炭化前除盐,炭化后除盐会使生物炭具有更强的吸附能力。

本发明将生物炭与蚯蚓生物酶剂混合,突破了因蚯蚓进食和活动的限制而造成蚯蚓对生物炭改良效率的下性,并提高了改良生物炭品质的均匀性,相对于生物改良的生物炭,生物酶剂改良的生物炭对重金属吸附能力将明显增加。

应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1