一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭的制备方法，包括以下步骤：第一步、选取富磷的废弃生物质材料，晾干研磨过筛，得到生物质粉料；第二步、生物质材料中添加钾盐，使K与P的物质的量之比为1.8～2.7，再添加SiO

【技术实现步骤摘要】
一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭及其制备方法
本专利技术属于环境污染治理及农产品质量安全
，涉及一种用于修复土壤重金属污染的富磷生物质炭，尤其是一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭及其制备方法。
技术介绍
由于工农业的发展，环境中的重金属污染成为大范围、高密度的环境问题。据2014年环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地点位超标率高达19.4%，其中轻度以上污染点位占6.7%，结合2002年关于珠三角等地区典型区域土壤环境质量的调查表明，重金属污染已导致某些地区超过10%的土壤基本丧失生产力，其中镉和砷污染的贡献率最大，污染已涉及所调查区域超过0.4%亿公顷的良田。由上述相关数据可以看出，目前我国重金属污染已成为威胁耕地环境质量的主要污染问题。作为富磷的废弃生物质，骨粉等生物质在重金属的治理方面已有较多的研究，相关研究表明，在重金属治理方面，骨粉对重金属污染土壤的改良主要表现为通过骨粉中的磷酸盐络合钝化土壤重金属以及晶体羟基磷灰石对重金属的吸附作用来降低土壤中重金属的生物有效性，从而进一步降低作物对重金属的吸收。目前，以骨粉作为重金属的治理材料的相关专利及研究中均未对有效磷成分进行一定的特殊改变或处理，因此存在一定的缺陷，首先，由于骨粉中的磷一般以结晶度较高的晶体羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)以及无定形的CaHPO4的形态存在；其次，由于羟基磷灰石具有较高的结晶度而导致其吸附效果要弱于结晶度相对较低的碳羟磷灰石〔Ca10｛(PO4)6-y(CO3·OH)y｝｛(OH)2-2xX(x)(CO3)x｝〕；另外，骨粉中含有较多的有机物质，有机物质络合及包裹作用严重阻碍了磷酸盐态有效磷(CaHPO4)对重金属的钝化作用及其对作物的有效性；此外，部分未被有机物封存的CaHPO4往往由于其具有较高的极性，难以被土壤固存，因而极易被淋失，因此难以对土壤中的重金属进行稳定的钝化及吸附作用，并且具有较高的面源污染风险。因此，骨粉对重金属的治理效果以及供磷功效都具有较高的约束性。将骨粉等富磷生物质进行热裂解后进行施用是目前的研究热点，以骨粉为例，在热裂解过程中，一方面可利用碳化作用去除骨粉中全部或部分的有机质物质，可以有效降低有机物质对有效磷在治理重金属及作物可给性方面的阻碍作用；另一方面可以将骨粉中具有高结晶度而吸附效果不佳的羟基磷灰石转化为吸附效果较强的碳羟磷灰石〔Ca10｛(PO4)6-y(CO3·OH)y｝｛(OH)2-2xX(x)(CO3)x｝〕。另外，通过碳化作用将骨粉中的有机物质进行有效转化，增加成品炭的有效态炭含量，从而优化成品炭的性能；其次，利用成品生物质炭的碱性特质来提高土壤的pH，可以对酸性土壤中被铁铝等金属氧化结合的闭蓄态磷产生一定的活化作用，并且也可对重金属产生一定的钝化作用；此外，结合生物炭具有较为丰富的孔隙度以及较高的有机碳含量，可以在增加土壤pH的基础上通过吸附以及与有机碳结合等作用来对土壤中的重金属的移动性以及生物可给性产生明显的限制作用。然而，对比骨粉碳化前后的性质可发现经热裂解后骨粉原料中的有效磷成分虽然可以被活化，但是有效磷的稳定性相对于原料则大幅度降低，并且，碳化后的磷元素往往是以Ca3(PO4)2的形式存在，由于此种含磷化合物具有不溶于水的特性，其在土壤中的活性较低，并且难以被植物利用，因此其对重金属得到钝化效应相对较低。因此，传统工艺热裂解制备的骨粉生物质炭对重金属的治理效率不高。提高富磷生物质炭治理重金属的效率就成为当前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭，同时给出了制备方法，能够显著提高生物质炭中的磷对土壤重金属的固持钝化作用。本专利技术的技术方案如下：抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、选取富磷的废弃生物质材料，并充分晾干，研磨过筛，得到粒径＜1mm的生物质粉料；第二步、测定生物质粉料中的全磷含量，并向生物质粉料中添加钾盐，使得生物质粉料中K与P的物质的量之比为[即K/P(mol/mol)]1.8～2.7，再向粉料中添加SiO2，混匀得到混合物，混合物中硅元素的含量为磷元素含量的25%～50%；第三步、将混合物在无氧条件下，以5～20℃/min的升温速率升至700～1000℃，保温30～60min后得到生物质炭，生物质炭冷却至室温后密封备用。本专利技术利用富磷废弃生物质作为原料，向原料中添加一定量的钾盐（钾盐为K2SO4）和SiO2，通过热裂解过程进行反应，其反应过程如下：Ca3(PO4)2+K2SO4+SiO2≒2CaKPO4+CaSiO3+SO3（1）其中SiO2的作用是生成CaKPO4的引物，通过上述反应，将Ca3(PO4)2转化成具有较低极性和较高生物可给性的CaKPO4成分，由于CaKPO4难溶于水但易溶于中性及偏碱性缓冲液（柠檬酸铵），因此可显著提高生物质炭中的磷对土壤重金属的固持钝化作用。首先，通过碳化作用，释放了骨粉中被有机质封存以及以高结晶态存在的潜在有效磷成分，进一步通过添加辅助改良剂钾盐和SiO2将有效磷转化成CaKPO4，CaKPO4在炭基提供的碱性微环境中解离出磷酸根，磷酸根与土壤中铅、镉等重金属生成沉淀或产生专性吸附作用来有效降低土壤铅、镉等重金属的活性及移动性，从而进一步降低作物对铅、镉等重金属的吸收；其次，以CaKPO4作为主要有效磷成分的改性生物质炭由于具有较高的K、Ca离子含量而赋予改性生物质炭有较高的阳离子交换量，因而可通过富磷的炭基环境对土壤中的铅、镉等重金属离子产生的诱导吸附作用，将重金属离子富集于生物质炭中富含CaKPO4的作用位点，强化生物质炭对重金属离子的吸附及约束作用，进一步提高富磷生物质炭对重金属的固持钝化效率。此外，由于CaKPO4具有较强的高温稳定性，因此可以提高碳化产物有效磷的产率。另一方面，CaKPO4较高的生物可给性，可为植物提供较为充足的磷素营养，通过保证植物对磷的吸收利用，提高植物自身对重金属的抵抗能力。优选地，第二步中，生物质炭粉料中K与P的物质的量之比为2.0～2.5，混合物中硅元素的含量为磷元素含量的25%～45%；第三步中，混合物升温速率优选5～15℃/min，最终温度优选900～1000℃，保温时间优选30～50min。优选地，所述富磷的废弃生物质材料为骨粉或富磷的生活污水污泥。骨粉、生活污水污泥中富含Ca3(PO4)2和CaHPO4等有效磷成分，这样就可以利用热裂解骨粉等废弃生物质，制备负载CaKPO4的生物质炭，使得CaKPO4充满生物质炭的孔隙，有效提高生物质炭对土壤重金属的固持作用，同时由于CaKPO4具有较低的水溶性，因而大大降低了面源污染的潜在危害性。优选地，所述生活污水污泥中重金属(例如镉、铬、铅、砷、汞)的含量应符合《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-84）中对酸性土壤的污泥施用标准，其中所述生活污水污泥中镉的含量要低于5mg/kg，铅的含量要低于300mg/kg，磷含量要高于3%，将符合条件的生活污水污泥在自然条件下风干并研磨过筛之后备用。优选地，所述钾盐为硫酸钾（K2SO4）。本专利技术还涉及上述任一种方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、选取富磷的废弃生物质材料，并充分晾干，研磨过筛，得到粒径＜1mm的生物质粉料；第二步、测定生物质粉料中的全磷含量，并向生物质粉料中添加钾盐，使得生物质粉料中K与P的物质的量之比为1.8～2.7，再向生物质粉料中添加SiO

【技术特征摘要】
1.一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、选取富磷的废弃生物质材料，并充分晾干，研磨过筛，得到粒径＜1mm的生物质粉料；第二步、测定生物质粉料中的全磷含量，并向生物质粉料中添加钾盐，使得生物质粉料中K与P的物质的量之比为1.8～2.7，再向生物质粉料中添加SiO2，混匀得到混合物，混合物中硅元素的含量为磷元素含量的25%～50%；第三步、将混合物在无氧条件下，以5～20℃/min的升温速率升至700～1000℃，保温30～60min后得到生物质炭，生物质炭冷却至室温后密封备用。2.根据权利要求1所述一种抑制作物吸收铅镉的富磷生物质炭的制备方法，其特征是，第二步中，生物质粉料中K与P的物质的量之比为2.0～2.5，混合物中硅元素的含量为磷元素含量的25%～45%；第三步中，混合物升温速率优选5～15℃/min，最终温度优选900～1000℃，保温时间优选30～50min。3.根据权利要求1所述一种抑制作物...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋凤凤，左静，李恋卿，潘根兴，卞荣军，张旭辉，刘晓雨，程琨，郑金伟，郑聚锋，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32