一种土壤改良剂及用于重金属铅污染土壤的改良方法

摘要

一种土壤改良剂及用于重金属铅污染土壤的改良方法，涉及一种土壤改良剂。土壤改良剂为固体笋壳基生物炭，在400℃下隔绝氧气热解30min所得的元素组成为C、H、N、K、P、Mg、Ca、Si和O。所述土壤改良剂采用以下方法制备：将笋壳清洗烘干、粉碎后装入热解炉中，在380～420℃下隔绝氧气热解20～40min，生物质笋壳经过干燥、预炭化、炭化得到固体笋壳基生物炭。改良方法如下：将土壤改良剂以2.5%～10%的质量分数添加进重金属铅污染土壤中，加水至田间土壤饱和持水量的70%，用薄膜覆盖防止水分散失，并在薄膜上每间隔5cm处开一气口，每2～3天加水补充散失的水分，培养后取出风干，得改良土壤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤改良剂，尤其是涉及一种土壤改良剂及用于重金属铅污染土壤的改 良方法。

背景技术

土壤是地球表面具有肥力、能让植物生长的疏松表层，是人类最重要、最基本、不可替 代的自然资源。随着国民经济和工业技术的发展，工矿企业废水废渣、石油、农药中的重金 属污染物不断地进入土壤环境，引起部分耕地受到重金属污染。土壤中重金属超标会严重影 响作物的质量和产量，并可被作物吸收，通过食物链进入人体；另外，土壤中重金属还可通 过水循环进入地下水，通过饮用水进入人体。由于人体对重金属的排出作用较弱，长期食用 或饮用被重金属污染的食品和水，会引起重金属在人体内的富集，严重危害人体健康。

土壤的重金属污染相比于其他污染，如有机物污染，有其自身的特点。首先，重金属在 土壤中只会发生存在形态的转变，而不会自然降解，也不会被土壤中的微生物分解，且重金 属在土壤环境中的迁移能力较差，可在土壤中长期存在。如重金属铅对环境的危害非常大， 在土壤中相对于其他重金属更容易被作物吸收，并在植物体内残留，对植物体产生毒害作用， 并可以通过食物链进入人体，在人体内潜伏期长，且难以排出。近年来，铅污染对人类健康 损害事件时有报道，如儿童血铅超标事件等，因此，铅污染土壤的改良面临着严峻的挑战。 目前，重金属铅污染土壤的修复方法包括淋洗法、植物修复法和电动修复法。淋洗法工作量 大，成本高，易造成二次污染；植物修复法成本低廉，但修复周期较长，且修复效果有限， 用于修复后的植物处理也是个难题；电动修复法成本高，操作复杂，工程庞大，不适合大面 积修复。用生物炭降低土壤中铅的迁移性和生物有效性的方法称之为固定法，该方法操作简 单，成本低廉，效果良好，实现了废物利用，并可较好地改良土壤的物理、化学和生物学性 能，具有经济和环境的双重效益。

中国是世界上最主要的产竹与产笋国，拥有丰富的笋壳资源。目前，笋壳的处理方法为 燃烧或直接丢弃，不仅污染了环境也造成了资源的浪费。人们开始寻求笋壳较为高效的利用 方法，如CN101851122A公开了一种利用笋壳制备有机肥的工艺；CN102125067A公开了 一种利用废弃笋壳制备笋壳饲料的方法。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种土壤改良剂。

本发明的另一目的旨在提供所述土壤改良剂用于重金属铅污染土壤的改良方法。

所述土壤改良剂为固体笋壳基生物炭，其在400℃下隔绝氧气热解30min所得的元素组 成为C67.17%、H3.885%、N3.102%、K1.20%、P0.41%、Mg0.26%、Ca0.28%、Si0.25%、 O23.443%。

所述土壤改良剂采用以下方法制备：将笋壳清洗烘干、粉碎后装入热解炉中，在 380～420℃下隔绝氧气热解20～40min，生物质笋壳经过干燥、预炭化、炭化得到固体笋壳基 生物炭，即土壤改良剂。

所述土壤改良剂用于重金属铅污染土壤的改良方法如下：

将土壤改良剂以2.5%～10%的质量分数添加进重金属铅污染土壤中，加水至田间土壤饱 和持水量的70%，用薄膜覆盖防止水分散失，并在薄膜上每间隔5cm处开一大小为1mm× 1mm的气口，保持与大气通气，每2～3天加水补充散失的水分，培养30天后取出风干，得 到改良土壤。

本发明所提供的土壤改良剂及将其用于重金属铅污染土壤的改良方法具有以下优点：

1.以生物质热解得到的土壤改良剂对重金属铅离子具有吸附和固定作用，可有效降低被 作物吸附的铅的有效浓度，阻止了铅从土壤向作物的迁移，减弱了重金属铅对作物的毒害。 实验表明，将该固体笋壳基生物炭以5%质量比混入土壤中，培养一个月后，土壤对铅的饱和 吸附量可达到90mg/g以上，相对于没有添加固体笋壳基生物炭的土壤有了很大的提高。

2.生物质热解得到的土壤改良剂具有一定的孔隙结构和吸附能力，可显著改良土壤的保 水保肥能力，固体笋壳基生物炭中含有植物生长所必须的氮、磷、钾等元素，可为土壤提供 一定肥力，经元素分析和能谱分析，400℃下热解30min得到的固体笋壳基生物炭含有N 3.102%、K1.20%、P0.41%。

3.生物质热解得到的固体笋壳基生物炭密度小，结构疏松，加入土壤可明显减小土壤容 重，增加土壤孔隙，有利于植物根系的生长和土壤中微生物的生长。

4.生物质热解得到的固体笋壳基生物炭对土壤的改良是碳的固定，将碳封存于土壤中， 有效地减少了温室气体二氧化碳的排放，对减缓气候变暖具有重要意义。

5.生产固体笋壳基生物炭的热解设备和方法简单，原料来源广泛，廉价易得，热解后得 到的固体笋壳基生物炭可就近施于需要改良的重金属铅污染土壤中，即可改良土壤，又可解 决了农业废弃物的利用问题，具有良好的经济效益和环境效益，真正实现了经济和环境的双 赢。

附图说明

图1为400℃下笋壳热解30min得到的固体笋壳基生物炭的扫描电镜图。

图2为固体笋壳基生物炭质量分数为5%培养后土壤对不同浓度Pb²⁺的吸附曲线。图中， 横坐标为Pb²⁺初始浓度（mmol/L），纵坐标为Pb²⁺吸附量（mg/g）。

图3为添加不同质量分数固体笋壳基生物炭培养后土壤容重的变化曲线。图中，横坐标 为固体笋壳基生物炭质量分数（%），纵坐标为土壤容重（g/cm³）。

图4为添加不同质量分数固体笋壳基生物炭培养后土壤保水效果变化曲线。图中，横坐 标为时间（d），纵坐标为土壤含水量（mg/g），曲线自上而下依次为生物炭质量分数为10%、 7.5%、5%、2.5%、0%培养土壤的保水量曲线。

图5为0.5g添加不同质量分数固体笋壳基生物炭培养后土壤对Pb²⁺的吸附量变化曲线。 图中，横坐标为固体笋壳基生物炭质量分数（%），纵坐标为Pb²⁺吸附量（mg/g）。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做详细说明。

实施例1

于笋加工厂收集笋壳，将笋壳冲洗后置于100℃烘箱中烘干，粉碎后置于石英舟中，放 入管式热解炉中，热解炉先用氮气快速吹扫2min，后保持气流约为1.2L/min。热解条件设置 为从室温升温至400℃，升温速率为5℃/min，并在400℃下保持30min，之后自然冷却至室 温，热解残余固体组分均视为固体笋壳基生物炭，收率为38.90%。从图1的扫描电镜图可以 看到，所得到的固体笋壳基生物炭具有良好的孔隙，结合元素分析和能谱分析，测得其元素 组成为C67.17%、H3.885%、N3.102%、K1.20%、P0.41%、Mg0.26%、Ca0.28%、Si0.25%、 O23.443%。

应用固体笋壳基生物炭对重金属铅污染土壤的改良实验方法为：将热解得到的笋壳基生 物炭与土壤按质量比1∶19的比例混合、搅匀，置于聚乙烯杯中，加水至田间土壤饱和持水 量的70%，用薄膜封口防止水分散失，并在薄膜上开一大小为1mm×1mm的气口，保持与 大气通气，每3天称重一次，补充散失的水分，培养30天后取出风干。取0.5g用上述方法 培养的土壤吸附25ml、2mmol/L的Pb²⁺溶液，置于摇床中于25℃、120r/min下震荡1h后静 置1天，经0.22μm微孔滤膜过滤后，用FAAS（火焰原子吸收光谱法）测定溶液中剩余的铅 离子浓度。经计算（见图2），0.5g上述方法培养的含质量分数5%的固体笋壳基生物炭土壤 对2mmol/L的铅离子溶液中Pb²⁺的吸附量为20.72mg/g，铅离子去除率为99.93%，说明含固 体笋壳基生物炭质量分数为5%的土壤对铅离子具有良好的吸附作用，可有效降低土壤中作物 利用铅离子的有效浓度。同时，添加5%固体笋壳基生物炭土壤的土壤容重有了明显的下降（见 图3），保水率改善明显（见图4）。添加5%固体笋壳基生物炭培养的土壤容重为0.6532g/cm³， 相比于未添加生物炭的土壤容重0.9516g/cm³，添加5%固体笋壳基生物炭培养之后的土壤容 重下降了45.68%。添加5%固体笋壳基生物炭培养的土壤饱和吸水量为1019mg/g，自然条件 下放置7天后含水量为381mg/g；同时，未添加固体笋壳基生物炭的土壤饱和吸水量为727 mg/g，自然条件下放置7天后为208mg/g。说明添加固体笋壳基生物炭后，可有效改善土壤 的板结性和保水性。

实施例2

同实施例1的实验方法，分别采用不同浓度的Pb²⁺溶液，评价含质量分数5%的固体笋壳 基生物炭土壤对重金属铅的吸附能力。实验结果经计算（见图2），0.5g含质量分数5%的固 体笋壳基生物炭土壤对4mmol/L的铅离子溶液中Pb²⁺的吸附量为41.44mg/g，铅离子去除率 为99.91%；对6mmol/L的铅离子溶液中Pb²⁺的吸附量为61.68mg/g，铅离子去除率为99.22%； 对8mmol/L的铅离子溶液中Pb²⁺的吸附量为82.64mg/g，铅离子去除率为97.11%；对10mmol/L 的铅离子溶液中Pb²⁺的吸附量为96.06mg/g，铅离子去除率为92.73%。

实施例3

将笋壳在400℃下热解30min得到的固体笋壳基生物炭以质量分数2.5%添加至土壤中， 培养30天后，风干。测得添加质量分数2.5%的固体笋壳基生物炭后土壤容重为0.7648g/cm³， 与未添加固体笋壳基生物炭时的0.9516g/cm³土壤容重相比下降了19.63%，土壤容重的下降 说明土壤的透气透水性得到了改良（见图3、图4）。土壤的pH值升高了0.28，说明添加笋 壳基生物炭可改良土壤酸性。取上述培养的土壤0.5g吸附25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液，吸附 后用FAAS（火焰原子吸收光谱法）测定溶液中剩余的铅离子浓度，结果经计算（见图5）， 添加质量分数为2.5%的笋壳基生物炭培养后土壤对25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液中Pb²⁺的吸附 容量为92.50mg/g。

实施例4

将笋壳在400℃下热解30min得到的固体笋壳基生物炭以质量分数7.5%添加至土壤中， 培养30天后，风干。测得添加质量分数7.5%的固体笋壳基生物炭后土壤容重为0.5660g/cm³， 与未添加固体笋壳基生物炭时的0.9516g/cm³相比土壤容重下降了40.52%，土壤容重的下降 说明土壤的透气透水性得到了改良。土壤的pH值升高了0.58，说明添加固体笋壳基生物炭 可较好地改良土壤酸性。取上述培养土壤0.5g吸附25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液，吸附后用 FAAS（火焰原子吸收光谱法）测定溶液中剩余的铅离子浓度，结果经计算（见图5），添加 质量分数为7.5%的固体笋壳基生物炭培养后土壤对25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液中Pb²⁺的吸附 容量为100.34mg/g。

实施例5

将笋壳在400℃下热解30min得到的固体笋壳基生物炭以质量分数10%添加至土壤中， 培养30天后，风干。测得其土壤容重为0.5237g/cm³，与未添加固体笋壳基生物炭时的0.9516 g/cm³相比土壤容重下降了44.97%，土壤容重的下降说明土壤的透气透水性得到了改良。土 壤的pH值升高了0.69，说明添加固体笋壳基生物炭可较好地改良土壤酸性。取上述培养土 壤0.5g吸附25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液，吸附后用FAAS（火焰原子吸收光谱法）测定溶液 中剩余的铅离子浓度，结果经计算（见图5），添加质量分数为10%的固体笋壳基生物炭培养 后土壤对25ml10mmol/L的Pb²⁺溶液中Pb²⁺的吸附容量为103.60mg/g。