一种重金属污染土壤用土壤改良剂及土壤改良方法与流程

本发明涉及土壤改良，具体涉及一种重金属污染土壤用土壤改良剂及土壤改良方法。

背景技术：

1、土壤是陆地生态系统的重要组成部分，是生物赖以生存的基础，随着工业化和城市化的飞速发展，土壤重金属污染日益严重，土壤生态系统遭受破坏。

2、重金属污染具有持久性、高毒性、不可生物降解性和生物积累性，它不仅影响着土壤系统的物质交换和能量流动，还影响土壤中各种植物、动物和微生物的生长，威胁着人类健康，影响着社会的可持续发展。

3、如何改善重金属污染土壤中的重金属不仅影响着土壤系统的物质交换和能量流动，还影响土壤中各种植物、动物和微生物的生长，威胁着人类健康是本发明的关键，因此，亟需一种重金属污染土壤用土壤改良剂及土壤改良方法来解决以上问题。

技术实现思路

1、为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种重金属污染土壤用土壤改良剂及土壤改良方法：通过将水稻秸秆热处理，炭化后粉碎过筛，并用盐酸溶液洗涤，去除秸秆炭表面以及内部孔洞中的杂质，得到生物炭，之后利用硼氢化钠将铁离子还原形成纳米铁并附着于生物炭的表面以及内部孔洞中，得到栽铁生物炭，之后将配位成分附着于栽铁生物炭上，得到重金属污染土壤用土壤改良剂，利用重金属污染土壤用土壤改良剂对重金属污染土壤进行改良，解决了现有的重金属污染土壤中的重金属不仅影响着土壤系统的物质交换和能量流动，还影响土壤中各种植物、动物和微生物的生长，威胁着人类健康的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种重金属污染土壤用土壤改良剂，所述重金属污染土壤用土壤改良剂由以下步骤制备得到：

4、步骤一：将水稻秸秆加入至管式炉中，通入氮气保护，在温度为500-520℃条件下热处理2-4h，之后随炉冷却，之后粉碎过100-150目筛，之后以固液比为1：40-50加入至盐酸溶液中浸泡20-30h，之后离心，将沉淀物用去离子水洗涤3-5次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为90-100℃的条件下干燥8-10h，得到生物炭；

5、步骤二：将生物炭、氯化铁溶液加入至安装有搅拌器、温度计、导气管以及恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，在超声频率为45-50khz的条件下超声分散30-40mi n，之后通入氮气保护，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下边搅拌边逐滴加入硼氢化钠溶液，控制滴加速率为1-2滴/s，滴加完毕后继续搅拌反应1-2h，反应结束后将反应产物离心，将沉淀物放置于真空干燥箱中，在温度为60-65℃的条件下干燥5-6h，得到栽铁生物炭；

6、步骤三：将栽铁生物炭、配位成分以及无水乙醇加入至安装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中，在温度为45-50℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应1-2h，之后升温至50-60℃的条件下继续搅拌反应5-6h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后旋转蒸发去除溶剂，得到该重金属污染土壤用土壤改良剂。

7、作为本发明进一步的方案：步骤一中的所述盐酸溶液的摩尔浓度为1-1.5mo l/l。

8、作为本发明进一步的方案：步骤二中的所述生物炭、氯化铁溶液以及硼氢化钠溶液的用量比为10g：60-70ml：80-100ml，所述氯化铁溶液的摩尔浓度为0.5-1.5mo l/l，所述硼氢化钠溶液的摩尔浓度为2-5mo l/l。

9、作为本发明进一步的方案：步骤三中的所述栽铁生物炭、配位成分以及无水乙醇的用量比为10g：0.5-9.5g：70-80ml。

10、作为本发明进一步的方案：所述配位成分由以下步骤制备得到：

11、步骤s1：将二甲基乙二胺、甲醛溶液以及无水乙醇加入至安装有搅拌器、温度计以及恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应30-40mi n，之后降温至-5-0℃条件下边搅拌边逐滴加入曲酸溶液，控制滴加速率为1-2滴/s，滴加完毕后继续搅拌反应12-15h，反应结束后将反应产物用浓盐酸调节ph为1-2，析出沉淀，之后真空抽滤，将滤饼用无水甲醇重结晶，得到中间体1；

12、反应原理如下：

13、

14、步骤s2：将中间体1、1，3-二溴丙酮、无水碳酸钾以及n，n-二甲基甲酰胺加入至安装有搅拌器、温度计以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应10-15mi n，之后升温至回流并继续搅拌反应8-10h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤液旋转蒸发去除溶剂，得到中间体2；

15、反应原理如下：

16、

17、步骤s3：将邻二甲苯、浓硝酸以及浓硫酸加入至安装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中，在温度为-10-0℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应2-3h，之后升温至温度为30-35℃的条件下继续搅拌反应4-6h，反应结束后将反应产物倒入至冰水中，之后析出沉淀，之后真空抽滤，将滤饼依次用饱和碳酸钠溶液、蒸馏水洗涤2-3次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为65-70℃的条件下干燥3-5h，得到中间体3；

18、反应原理如下：

19、

20、步骤s4：将中间体3、氢氧化钠以及叔丁醇水溶液加入至安装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应20-30mi n，之后升温至温度为55-60℃的条件下等分5-10次加入高锰酸钾，间隔时间为20-30mi n，加入完毕后升温至温度为75-80℃的条件下继续搅拌反应10-15h，之后加入无水亚硫酸钠继续搅拌反应10-15mi n，反应结束后将反应产物趁热真空抽滤，将滤液蒸发浓缩至体积为原体积的1/3-1/2，之后用浓盐酸调节ph为1-2，析出沉淀，之后真空抽滤，将滤饼放置于真空干燥箱中，在温度为65-70℃的条件下干燥3-5h，得到中间体4；

21、反应原理如下：

22、

23、步骤s5：将还原铁粉、氯化铵以及盐酸溶液加入至安装有搅拌器、温度计以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为40-45℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应30-40mi n，之后加入中间体4并升温至回流的条件下继续搅拌反应6-8h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤液用浓氨水调节至ph为8-9，之后用二氯甲烷萃取2-3次，合并萃取液，之后将萃取液旋转蒸发去除溶剂，得到中间体5；

24、反应原理如下：

25、

26、步骤s6：将中间体2、中间体5、无水碳酸钾以及氯仿加入至安装有搅拌器、温度计以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为45-50℃，搅拌速率为400-450r/mi n的条件下搅拌反应1-2h，之后升温至回流并继续搅拌反应15-20h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤液旋转蒸发去除溶剂，得到配位成分。

27、反应原理如下：

28、

29、作为本发明进一步的方案：步骤s1中的所述二甲基乙二胺、甲醛溶液、无水乙醇以及曲酸溶液的用量比为0.1mo l：20ml：20-25ml：40-45ml，所述甲醛溶液的摩尔浓度为10-12mo l/l，所述曲酸溶液为曲酸按照0.1mo l：20ml溶解于无水乙醇所形成的溶液，所述浓盐酸的质量分数为36-38％。

30、作为本发明进一步的方案：步骤s2中的所述中间体1、1，3-二溴丙酮、无水碳酸钾以及n，n-二甲基甲酰胺的用量比为0.1mo l：0.45-0.5mo l：0.45-0.5mo l：120-150ml。

31、作为本发明进一步的方案：步骤s3中的所述邻二甲苯、浓硝酸以及浓硫酸的用量比为1g：15-20ml：4-5ml，所述浓硝酸的质量分数为67-69％，所述浓硫酸的质量分数为96-98％。

32、作为本发明进一步的方案：步骤s4中的所述中间体3、氢氧化钠、叔丁醇水溶液、高锰酸钾以及无水亚硫酸钠的用量比为20mmo l：50-60mmo l：180-200ml：20-25g：10-15g，所述叔丁醇水溶液的质量分数为45-50％，所述浓盐酸的质量分数为36-38％。

33、作为本发明进一步的方案：步骤s5中的所述还原铁粉、氯化铵、盐酸溶液以及中间体4的用量比为6.0-6.5g：5.5-6.0g：100-120ml：0.1mo l，所述盐酸溶液的质量分数为20-25％，所述浓氨水的质量分数为25-27％。

34、作为本发明进一步的方案：步骤s6中的所述中间体2、中间体5、无水碳酸钾以及氯仿的用量比为10mmo l：42-45mmo l：45-50mmo l：80-100ml。

35、作为本发明进一步的方案：一种重金属污染土壤用土壤改良方法,包括以下步骤：

36、将重金属污染土壤用土壤改良剂加入至去离子水中混合均匀，得到土壤改良液，将土壤改良液与重金属污染土壤混合均匀即可；其中，所述重金属污染土壤用土壤改良剂、去离子水以及重金属污染土壤的用量比为0.5-7.5g：25-30g：100g。

37、本发明的有益效果：

38、本发明的一种重金属污染土壤用土壤改良剂及土壤改良方法，通过将水稻秸秆热处理，炭化后粉碎过筛，并用盐酸溶液洗涤，去除秸秆炭表面以及内部孔洞中的杂质，得到生物炭，之后利用硼氢化钠将铁离子还原形成纳米铁并附着于生物炭的表面以及内部孔洞中，得到栽铁生物炭，之后将配位成分附着于栽铁生物炭上，得到重金属污染土壤用土壤改良剂，将重金属污染土壤用土壤改良剂加入至去离子水中混合均匀，得到土壤改良液，将土壤改良液与重金属污染土壤混合均匀即可对重金属污染土壤进行改良；该土壤改良方法中利用重金属污染土壤用土壤改良剂对重金属污染土壤进行处理，重金属污染土壤用土壤改良剂中的栽铁生物炭含有生物炭和纳米铁的功能，栽铁生物炭具有良好的吸附作用，能够对重金属离子进行吸附，纳米铁具有良好的还原性，能够将对重金属离子进行还原使其钝化，重金属污染土壤用土壤改良剂中的配位成分能够与重金属离子进行配位，形成金属螯合物，进而使其钝化，从而降低土壤中重金属的水溶性、扩散性和生物有效性，使重金属转化为低毒性或移动性较低的化学形态，以减轻重金属对生态和环境的危害，实现对重金属污染土壤的改良；

39、在制备重金属污染土壤用土壤改良剂的过程中首先制备了一种配位成分，首先利用二甲基乙二胺、甲醛以及曲酸反应，生成含有大量羟基的中间体1，之后中间体1上的羟基与1，3-二溴丙酮上的溴原子发生亲核取代反应，引入大量溴原子，得到中间体2，之后利用浓硝酸、浓硫酸将邻二甲苯进行硝化，引入硝基，得到中间体3，之后利用高锰酸钾将中间体3上的甲基氧化成羧基，得到中间体4，之后利用还原铁粉将中间体4上的硝基还原成氨基，得到中间体5，之后中间体2上的溴原子与中间体5上的氨基发生亲核取代反应，引入大量羧基，得到配位成分；该配位成分的分子结构上含有大量的羧基，能够与金属离子更好的配位，大量的羧基能够将重金属污染土壤中的金属离子充分吸附；而且配位成分在协同栽铁生物炭使用时，利用生物炭的吸附作用能够将金属离子汇集，使得金属离子与配位成分进行充分接触，并利用纳米铁将部分金属离子进行还原，最终能够充分地将金属离子进行钝化，能够解决重金属污染问题。