专利名称：一种利用氧化铁纳米材料高效便捷治理面源污染的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用氧化铁纳米材料高效便捷治理面源污染的 方法。具体的说，是利用无毒、易于生物降解且廉价的高分子聚合物 和普通的铁盐为原料，通过简便的合成技术，制得纳米铁材料的方法。 可将这种材料渗透分散在土壤的亚表层中，形成一种含有氧化铁纳米 材料的土中墙，吸附流经土中墙的含磷水体中的磷，以此达到治理由 农药化肥过量使用、人畜粪尿和生活污水排放等引起的磷素面源污染 问题，具有高效、便捷以及适用范围广等特点。本发明属于环境污染 控制领域。
背景技术：
近10多年来，由于经济发展迅猛、人口的激增以及湖泊利用强
度加大，而湖泊的水污染控制和保护措施滞后，使得湖泊污染，特别
是富营养化成为一个严重的环境问题。国家对35个主要湖泊的调査 表明，每天有5.646X10st废水入湖，占全国排放量的6.6%。但是 随着点源污染治理力度的加强，面源污染已成为我国湖泊富营养化的 主要影响因素。以我国富营养化较为严重的太湖、滇池和巢湖为例， 面源污染(包括人畜和生活污水)己经成为入湖全氮和全磷负荷的主 要来源，其中全磷的贡献率分别为30%、 41%和73%。目前，我国 已经成为世界上最大的化肥生产国和消费国。2004年我国化肥用量
为4629万t (其中氮(N)、磷(P205)、钾(K20)的用量分别为2583 万t、 1458万t和588万t)，超过世界总用量的1/3，居世界之首。 按总播面积计算，全国平均磷肥施用量达94kg/hm2。据统计，2005 年我国有机磷杀虫剂仍占农药总用量的39.4%，占杀虫剂总用量的 70.5%。长期、大量和不合理的使用农药化肥必然导致面源污染的发 生和加剧。2004年我国畜禽粪便产生量达2715亿t，其中总氮和总 磷的产生量分别为1530万t和640万t。根据当前城镇人粪尿和规 模化养殖场的牲畜粪尿的收集比例和堆制、储运过程中的损失程度等 情况计算、未被利用而直接进入环境的有机肥料N和P"5量分别达到 1089万t和201万t，其中绝大部分氮磷直接进入地表水。人畜排泄 物的直接进入地表水是当前一些人口密集、集约养殖场发达地区的地 表水富营养化的主要原因。今年来对太湖流域农村和农业面源污染的 研究表明，畜禽排泄物对水体氮素和磷素面源污染的相对贡献率分别 为28%和44%，人体排泄物分别占31%和24%，已成为引起水体富 营养化氮、磷污染物的主要来源。
目前已有的治理面源污染的方法和技术主要有多水塘系统，缓冲 带，湿地系统和可渗透反应墙。多水塘系统的概念首先由尹澄清(1989
年)提出，它是一类特殊的人工水塘湿地生态系统，是以水塘为点， 沟渠为线的流域系统。多水塘系统在滞留径流、循环利用水和营养物 质、提高水资源利用率、增加生物的多样性有很好的效果。然而，滞 留池效率受入水和降雨的时空影响较大，功能较单一，对系统中植物 的种类有一定要求，占用一定土地资源。缓冲带可以防止污染源与河，流、湖泊贯通，减少侵蚀迁移的土壤进入水体，截持土壤侵蚀的养分 污染物，改善水质，但是也要占用一定土地资源，需要不定期的人工 管理和养护，其效果持久性有待考证。湿地作为陆生系统和水生系统 之间的过渡带，通过土壤吸附、植被吸收、生物降解等一系列作用， 减少进入水体的氮、磷含量。同时存在的缺点是，构建成本高，地域 选择性强，受季节变化影响大。可渗透反应墙技术因操作简单，净化 效率高，补给地下水资源，而得到了越来越多的应用，同时其地表的 植被可丰富绿化层次，美化环境，为污水资源化利用提供了一种有效 方法。然而，这种技术建设成本高，容易发生下渗通道堵塞问题。
由于面源污染的时空分布、发生时间和量的不确定性，应用上述 技术为其建设专门的处理设施显然是不经济的，需要花费大量的时 间，占用一定的土地资源，而且这些技术主要针对地表径流中营养盐 的流失，然而，渗透到地表以下的营养盐，可以随着壤中流(土壤中 的径流)最终同样进入湖泊、河流和水库。对于土壤中营养盐的流失， 目前并没有有效的治理技术和方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出应用纳米材料治 理磷素面源污染的方法。具体的说，在自然重力作用下，将纳米铁材 料渗透到土壤中，改变土壤的结构和成分，使其具有很强吸附磷素的 特性。因此，当含磷的地表径流通过处理过的土壤，由于土壤的吸附 作用可以将磷素保留在土壤中，防止其进入湖泊、河流和水库，引起
，水体富营养化的发生。本发明具有材料制备简单、成本低廉、操作方 便、适用范围广、不必占据特定的土地空间修建一定的设施等优点。
本发明所述的纳米材料的制备技术，其特征在于，采用一种天然 的高分子聚合物作为分散剂，普通的铁盐作为原料，应用氧化还原法 制备纳米级氧化铁材料。
本发明所述的纳米材料的制备技术，其特征在于，通过调节分散 剂的用量，可以控制纳米粒子的粒径大小，以及纳米材料的表面电荷。
本发明所述的分散剂，其特征在于，所述的天然高分子聚合物为 壳聚糖及其衍生物、甲壳素及其衍生物、羧甲基淀粉、其他变性淀粉、 羧甲基纤维素及其它纤维素衍生物、瓜尔胶及其衍生物、黄原胶及其 衍生物、海枣酸及其衍生物中的一种或几种。
本发明提供的纳米材料，其特征在于，在自然重力下，不同粒径 大小和表面电荷的纳米材料可以渗透到不同深度的土壤中。
本发明提供的纳米材料，其特征在于，纳米粒子为三氧化二铁、
四氧化三铁和羟基氧化铁中的一种或几种，粒径在10 100nm。
本发明提供的纳米材料，其特征在于，纳米材料稳定性好，保持
几个月，纳米粒子的粒径不发生变化。
本发明所述的应用纳米材料治理磷素面源污染的方法，其特征在
于，纳米材料为悬浊液，无需其他处理和辅助设施，就可以直接应用。 本发明所述的应用纳米材料治理磷素面源污染的方法，其特征在
于，所述的纳米材料用量为0.01 lg/L。
图l是纳米铁材料与普通铁材料在土壤中的渗透性能比较
图2是土壤改性前后固磷的效果比较
具体实施例方式
下面通过具体实施例对本发明所述的技术和方法加以详细说明。 实施例l.纳米铁材料的制备
取100ml、 lg/l的FeCL'4H20水溶液(以Fe计)逐滴添加到100ml、 0.12% (W/V)的分散剂溶液中，持续振荡30分钟，使Fe2+与分散剂完 全络合。然后向溶液中逐滴加入O. lmol/l的NaOH溶液，当溶液pH值达 到ll时停止添加，继续振荡l小时，即可得到本发明所述的纳米材料。 实施例2.纳米铁材料与普通铁材料在土壤中的渗透性能比较
取6g的土样装入玻璃管中，土柱高10cm。向玻璃管中分别注入普 通铁悬浊液和纳米铁悬浊液各15ml，浓度100mg/1 (以Fe计)。收集流 过土柱的每lml溢出液，测定铁的浓度。见图l。 实施例3. 土壤改性前后固磷的效果比较
取O. 5mg/L的纳米铁悬浊液与6g原始土壤混合，然后将其装入玻 璃管中，再取6g原始土壤装入另一玻璃管中做对照，之后将10ml， 0.5mg/l的磷溶液加入到玻璃管内土柱的顶部，经过一段时间，收集 流过土柱的溢出液，测定磷浓度。见图2。
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权利要求
1. 本发明提供一种利用氧化铁纳米材料高效便捷治理面源污染的方法，具体的说，就是采用天然的高分子聚合物作为分散剂，普通的铁盐作为原料，应用氧化还原法制备纳米级氧化铁材料，将这种材料渗透分散在土壤的亚表层中，形成一种含有氧化铁纳米材料的土中墙，因此流经土中墙的含磷水体中的磷将吸附在墙体中，从而达到治理磷素面源污染的方法。
2. 根据权利要求1所述的分散剂，其特征在于，所述的天然高分子聚合物为壳聚糖及其衍生物、甲壳素及其衍生物、羧甲基淀粉、 其他变性淀粉、羧甲基纤维素及其它纤维素衍生物、瓜尔胶及其 衍生物、黄原胶及其衍生物、海枣酸及其衍生物中的一种或几种。
3. 根据权利要求l所述的纳米材料，其特征在于，通过调节分散剂的用量，可以控制纳米粒子的粒径大小，以及纳米材料的表面电荷。
4. 根据权利要求l所述的纳米材料，其特征在于，在自然重力下，不 同粒径大小和表面电荷的纳米材料可以渗透到不同深度的土壤中。
5. 根据权利要求l所述的纳米材料，其特征在于，纳米粒子为三氧化二铁、四氧化三铁和羟基氧化铁中的一种或几种，粒径在10 100nm。
6. 根据权利要求l所述的纳米材料，其特征在于，纳米材料稳定性好，保持几个月，纳米粒子的粒径不发生变化。
7. 根据权利要求1所述的治理面源污染的方法，其特征在于，纳米材料为悬浊液，无需其他处理和辅助设施，就可以直接应用。
8.根据权利要求1所述的治理面源污染的方法，其特征在于，所述的纳米材料用量为O. 01 lg/L。
全文摘要
本发明涉及一种利用氧化铁纳米材料高效便捷治理面源污染的方法。具体的说，是利用无毒、易于生物降解且廉价的高分子聚合物和普通的铁盐为原料，通过简便的合成技术，制得纳米铁材料的方法。可将这种材料渗透分散在土壤的亚表层中，形成一种含有氧化铁纳米材料的土中墙，吸附流经土中墙的含磷水体中的磷，以此达到治理由农药化肥过量使用、人畜粪尿和生活污水排放等引起的磷素面源污染问题，具有高效、便捷以及适用范围广等特点。本发明属于环境污染控制领域。
文档编号C02F1/28GK101386430SQ20081022431
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者垒 李, 纲 潘 申请人:中国科学院生态环境研究中心