一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用，属于农田土壤修复技术领域。本发明专利技术所述钝化剂是利用高锰酸钾和硫酸锰对以锯末为原料的生物炭进行改性制备而成。将本发明专利技术钝化剂均匀加入到土壤中，在70％的含水率下保持3天即可明显降低土壤中的有效态砷含量。本发明专利技术的钝化剂成本低廉、施用方法简便、钝化效果好、对环境友好，能够修复高砷污染的土壤。砷污染的土壤。砷污染的土壤。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及农田土壤修复
，尤其涉及一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]砷是一种对人体危害较大的类金属元素，长期暴露于高砷下，会引发皮肤癌、肺癌等各种疾病。世界卫生组织(WHO)的饮用水指导标准和我国最新修订的《生活饮用水卫生标准(GB 5748
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2022)》均规定饮用水中砷含量的摄入限值是10μg/L，我国《地下水质量标准(GB/T14848
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2017)》中则规定用于农业灌溉的地下水砷含量不应超过50μg/L。因此在农业灌溉方面，砷含量超过50μg/L的地下水可认为是高砷地下水。我国生态环境部在2018年修订的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618
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2018)》中规定农用地土壤砷污染风险筛选值为：pH≤6.5时，土壤砷含量≤40mg/kg；6.5<pH≤7.5时，土壤砷含量≤30mg/kg；pH>7.5时，土壤砷含量≤25mg/kg。研究表明地质成因的原生高砷地下水在我国广泛分布，包括河套盆地、山西大同盆地、宁夏银川盆地、黄河下游豫北平原和鲁北平原、长江流域江汉平原、珠江三角洲、长江三角洲等多个内陆盆地或三角洲地区都存在着原生高砷地下水现象。在疾控、地矿和水利等多方单位的联合指导下，我国大部分地区已经实现防砷改水工作，基本不存在居民饮用高砷地下水的问题。但上述很多地区还是我国重要的粮食基地，特别是北方的平原与盆地，仍然严重依赖开采浅层地下水进行灌溉，因此原生的高砷地下水严重威胁着农业灌溉水质安全。以黄河下游豫北地区为例，当地局部居民常年开采原生高砷地下水进行农业灌溉，潜在增加了耕地土壤中的含砷量。砷在土壤中通常以铁型砷化物、铝型砷化物、钙型砷化物、水溶态砷化物、可交换态砷化物、残渣态砷化物等形态存在。相关研究表明农作物会对土壤中的砷产生吸收作用。水溶态砷化物和可交换态砷化物较为活跃，易被农作物吸收利用，进而通过食物链进入人体中造成危害。而残渣态砷最稳定，作物无法吸收。
[0003]对于含砷量较高的土壤修复主要采用钝化修复和植物修复两种方式。钝化修复方式的原理是土壤中加入钝化剂或调理剂，通过吸附、沉淀或者螯合等物理化学作用，以此来改变土壤中As的存在形态，从而降低土壤中水溶态砷或可交换态砷比例等。植物修复则是通过种植砷富集植物，利用它对砷的超富集特性，减少农作物对砷的吸收，以此来降低农产品中的砷含量。目前砷富集植物整体种类较少，而砷调理剂或钝化剂的应用形式更为丰富。同时钝化修复方式的成本低廉、施用方法简便、修复效果更为持久。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用，可以通过低成本且操作简便的方式来降低高砷地下水的持续灌溉对土壤产生的风险，为高砷地下水灌溉下保障农作物的安全生长提供解决方案。本专利技术通过采用钝化剂钝化土壤的工艺，可以显著减少高砷水持续灌溉下土壤中有效态砷的含量。
[0005]本专利技术提供的一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将锯末过60
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80目筛进行筛分，水洗后在80℃条件下放置24小时进行干燥；
[0007](2)将步骤(1)中干燥的锯末放入坩埚，置于马弗炉中，在500℃的无氧环境中热解1小时后获得锯末生物质炭；
[0008](3)将高锰酸钾溶于去离子水配制成高锰酸钾溶液，与所述锯末生物质炭混合，两者搅拌均匀形成悬浊液，其中锯末生物质炭与高锰酸钾的质量比为1：0.15～0.2；
[0009](4)将一水合硫酸锰溶解在去离子水中配制成硫酸锰溶液，然后将所述硫酸锰溶液逐滴加入步骤(3)所述的悬浊液中，在水浴加热条件下，搅拌2小时进行充分混合，过滤后得到所述钝化剂。
[0010]制备过程中，对高锰酸钾溶液和硫酸锰溶液的浓度不做要求，加入去离子水只是为了起到溶解的作用。
[0011]所述的纳米MnO2改性的生物炭钝化剂制备中二氧化锰制备反应方程式为：
[0012]3MnSO4+2KMnO4+2H2O＝5MnO2+K2SO4+2H2SO4[0013]步骤(1)所述锯末为白杨木锯末。
[0014]优选的，步骤(2)所述马弗炉中的热解温度为500
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700℃。
[0015]优选的，步骤(4)中一水合硫酸锰的滴加质量与所述锯末生物质炭质量比为1：0.2～0.3。
[0016]优选的，步骤(4)所述水浴的温度为80℃，搅拌的转速为150rpm。
[0017]优选的，所述钝化剂的粒径为1～10nm，锰元素含量大于10％。
[0018]本专利技术的另一目的是提供一种所述的钝化剂的应用，将钝化剂按照土壤质量的1～5％添加均匀撒施到土壤中，混合后，在土壤含水量为70％的湿润环境下保持3天以上。，将所述钝化剂均匀撒施到重金属污染的土壤中，其中所述钝化剂的撒施量占土壤质量的1～5％，混合均匀后，在土壤含水量为70％的湿润环境下保持3天以上。
[0019]本专利技术提供的一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用，与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0020](1)对环境友好。由于钝化剂本身为白杨木锯末改性生物炭，对环境不会造成二次污染，适用于高砷水长期灌溉条件下土壤的钝化修复。
[0021](2)成本低廉。本专利技术所使用的钝化剂是通过金属氧化物在生物炭上进行负载改性而成，并且生物炭的主要成分是白杨木锯末，价格低廉，易于获取。
[0022](3)施用方法简便。所使用的钝化操作仅需要将钝化剂与原始土壤充分混合均匀后加水静置后即可完成钝化过程，便于实际使用。
[0023](4)钝化效果好。纳米二氧化锰改性之后的生物炭材料显著提高其对土壤中有效态砷的固化能力。
附图说明
[0024]图1为实施例1中所述钝化剂和对比例1所述钝化剂的粒径分布；
[0025]图2实施例1中所述钝化剂的扫描电镜与元素含量图；
[0026]图3是本专利技术土壤钝化过程及效果测定操作流程示意图；
[0027]图4是实验不同分组设置示意图；
[0028]图5是实验1上海青实验组种植二周后土壤有效态砷含量与钝化剂添加比例关系柱状图；
[0029]图6是实验1上海青实验组种植四周后土壤有效态砷含量与钝化剂添加比例关系柱状图；
[0030]图7是实验2四九菜心实验组种植二周后土壤有效态砷含量与钝化剂添加比例关系柱状图；
[0031]图8是实验2四九菜心实验组种植四周后土壤有效态砷含量与钝化剂添加比例关系柱状图。
具体实施方式
[0032]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。
[0033]实施例1
[0034]一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法，步骤如下：
[0035](1)将锯末过60...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化锰改性生物炭钝化剂的制备方法及应用，其特征在于，所述钝化剂的制备方法包括以下步骤：(1)将锯末过60
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80目筛进行筛分，水洗后在80℃条件下放置24小时进行干燥；(2)将步骤(1)中干燥的锯末放入坩埚，置于马弗炉中，在500℃的无氧环境中热解1小时后获得锯末生物质炭；(3)将高锰酸钾溶于去离子水中配制成高锰酸钾溶液，与所述锯末生物质炭混合，两者搅拌均匀形成悬浊液，其中锯末生物质炭与高锰酸钾的质量比为1：0.15～0.2；(4)将一水合硫酸锰溶解在去离子水中配制成硫酸锰溶液，然后将所述硫酸锰溶液逐滴加入步骤(3)所述的悬浊液中，在水浴加热条件下，搅拌2小时进行充分混合，过滤后得到所述钝化剂。2.如权利要求1所述的土壤修复用钝化剂，其特征在于，步骤(1)所述锯末...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文庚，任宇，潘登，张鑫，王帅，肖舜禹，
申请(专利权)人：中国地质科学院水文地质环境地质研究所，
类型：发明
国别省市：