一种铁硅硫多元素复合生物炭土壤重金属调理剂的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体设及一种铁娃硫多元素复合生物炭±壤重金属调理剂的制备方法。
【背景技术】
[0002] 如何有效控制和减轻±壤重金属污染和危害是一个日益严重的国际性问题，在我 国尤为突出。特别是大面积的重金属污染农田±壤的治理，难W找到低成本、广谱、可操作 性强的技术方法。而对于重金属复合污染农田治理尤为困难，如神儒复合污染较单一污染 来说，由于其存在交互作用，所引起的环境效应更为复杂，治理也更为困难。提高±壤抑，能 够有效降低±壤儒的生物有效性与稻米儒含量，却可能提高±壤43活性。另外，淹水处理能 够降低稻米中的Cd含量;却提高了稻米As含量。因此，As/Cd复合污染条件下，如何调控±壤 过程、实施水肥管理，十分复杂。
[0003] 近年来农田重金属污染纯化技术受到越来越多的关注。通过施用±壤友好型调理 剂，纯化污染±壤重金属，减小农作物对重金属的吸收，实现重金属污染农业±壤的边治 理、边生产，是±壤重金属防治新的思路，既经济又安全。±壤重金属纯化技术投入相对较 低，修复效率高，操作简单;对于大面积中低度重金属污染±壤修复具有较好的优越性，可 W满足当前我国农田±壤重金属污染治理W及保障农产品安全。目前常用的±壤重金属纯 化剂包括:石灰、碳酸巧、粉煤灰等碱性物质，径基憐灰石、憐矿粉、憐酸氨巧等憐酸盐，天然 或改性沸石、膨润±等矿物，高炉渣、钢渣等含娃肥料，草炭、农家肥、绿肥、生物质炭等有机 肥料。运些纯化剂对±壤某一重金属污染往往具有较好的纯化效果。但是±壤重金属污染 往往是两种或两种W上的多种金属并存的复合污染。不同重金属离子其理化性质差异较 大，在±壤中的迁移性及其环境行为也大不相同。单一的±壤纯化剂修复多金属复合污染 上壤往往具有挑战性，很难找到单一物质可W降低所有重金属离子的移动性。因此，目前上 壤纯化修复主要集中在某个单一重金属元素纯化，对于多金属复合污染通常采用复合添加 剂或多种修复方法同时进行;如果可W制备一种能同时纯化多种污染物的多功能重金属纯 化材料，必然会降低修复成本、提高修复效率。
[0004] ±壤中重金属的毒性和生物有效性不仅与重金属总量有关，更主要的是受±壤理 化性质影响。±壤中铁氧化物是控制±壤重金属形态转化和生物有效性的关键因子。铁是 红壤中最为重要的氧化还原活性元素 (Wang et al. ,2009)，其地球化学丰度为5.1%，居第 四位(赵其国，2002)，铁主要W游离态氧化铁包裹在±壤颗粒表面，具有高地球化学活性； 直接影响许多上壤过程(Borch et al. ,2010)。铁氧化物及其它铁矿物的极大比表面积、化 学活性及其形态转化，使其具有对众多的重金属及含氧阴离子(如K)4 3^AsO^、化化等)较 高的吸附能力；常被用作神、铭等重金属污染废水处理剂。但由于铁及其氧化物很容易聚 集，因而与±壤中元素 Mg、P、Ca和S结合，影响其化学性能，导致其在±壤重金属修复中的应 用受到阻碍。
[0005] ±壤中硫对控制重金属活性和生物有效性起着重要的作用。进入±壤的S〇42^，在 厌氧条件下很快被还原在s 2-，s2^可W与金属离子形成硫化物，从而对重金属起到稳定化作 用;通过±壤有机硫矿化产生的S042^W及大气沉降和施肥进入±壤的S〇42^，在厌氧条件下 很快被还原为52-，52^^金属离子形成硫化物。厌氧±壤中金属硫化物是稳定和难溶的，其 对±壤孔隙水重金属离子浓度有重要影响。因此在水稻田中，含硫肥料的施用特别是在水 稻苗期含硫肥料的施用对稳定±壤重金属具有非常重要的作用。但±壤中硫在氧化形成 S0421寸，会产生大量的H+，导致重金属活化。因此，单独施用含硫肥料在水稻生长后期重金 属有再度活化的风险。如果含硫肥料与其他±壤调理剂配合施用，避免其再度被氧化，必将 会提高含硫纯化剂对重金属儒的纯化效果和适用范围。
[0006] 娃肥可W降低±壤重金属有效性，抑制农作物对重金属的吸收积累。近年来研究 表明，娃可W提高植物对重金属毒害的抗性，利用方便且廉价，已引起人们的高度重视。目 前的研究已表明，施用娃肥可W提高水稻等植物对儘、铁、儒、侣等重金属毒害的抗性，降低 水稻等植物对运些重金属的吸收积累。虽然，±壤中总的Si含量很高，但都是W娃酸盐的形 成存在;而植物能吸收利用的娃为单娃酸(Si(0H)4)，因此±壤中有效态娃含量往往很低。 通常情况下上壤溶液中娃酸含量为0.1~〇.6mM化PSte in ,1994)。随着集约化农业的发展， 农作物长期连作(特别是水稻等禾本科植物），会不断吸收走±壤中有效态Si,而导致农作 物减产。由于红壤区强烈的脱娃作用，上壤的有效娃含量往往更低。因此，娃肥在农业生产 中的作用越来越被人们重视。但是目前娃肥大多来自于高炉渣、含娃矿石等，运些娃肥娃有 效性较差;而偏娃酸等含娃盐一旦施入上壤后也容易被上壤矿物固定。
[0007] 生物炭是一种新型的材料，它是在缺氧条件下，生物质通过热裂解形成的一种产 物。生物炭的颗粒较小、分布细致、质地较轻，是一种黑色孔状的固体，主要组成元素为碳、 氧等，生物炭中碳的含量一般在70% W上，制备生物炭的原料来源广泛，如木屑、賴杆、工业 有机废弃物、城市污泥、栋桐丝、挪丝等都可作为其原料。生物炭具有疏松多孔、比表面积 大、表面带有大量负电荷等特点，运些特征使生物炭具有良好的吸附特性，作为±壤结构的 改良剂或者制成±壤污染的修复剂，生物炭能够提高酸性±壤pH值，增加阳离子交换量，从 而吸附±壤中的污染物和重金属，降低Cd、Pb、Zn在农作物体内的累积，加快微生物代谢和 提高±壤微生物量，从而改善±壤肥力，增加水稻等作物的产量，改善农产品品质的作。但 是由于As的移动性随±壤抑的增加而增加，易于键合到±壤中具有阴离子交换位的Fe、Al 和Mn氧化物和氨氧化物上，运将意味着在±壤中添加生物炭不一定能够控制As的生物有效 性。如Zheng等研究发现，生物炭施用于重金属污染的水稻±壤中，生物炭促进了水稻±壤 中铁膜形成，上壤中的Cd、Zn、Pb和As的迁移能力产生影响，水稻根中CcU Zn和化的浓度分别 下降了98%、83%和72%，而神的浓度增加了327 %。由于大多数农田±壤为重金属复合污 染，运也就对生物炭纯化农田重金属应用提出了挑战。
[0008] 上述铁氧化物、硫酸盐、娃酸盐W及生物炭在±壤重金属纯化中已得到了广泛的 应用;各自对特定±壤条件下的某一种重金属污染±壤具有较好的纯化效果。如铁氧化物 对神污染±壤纯化具有很好的效果，而生物炭对酸性±壤儒污染纯化具有特效，硫酸盐和 娃酸盐对酸性±壤儒或者是铅污染具有较好的纯化效果。而复合重金属污染±壤条件下， 单独施用上述一种调理剂往往达不到同时纯化多种重金属的目的，需要同时施用两种或更 多纯化剂。运不仅会给施用带来不便；同时铁氧化物、硫酸盐W及娃酸盐往往会发生化学反 应，而导致纯化效果丧失或降低。
【发明内容】
[0009] 为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种铁娃硫多元 素复合生物炭上壤重金属调理剂的制备方法。
[0010] 本发明在生物炭制备过程中将娃酸盐添加到植物賴杆等农业废弃物中，在一定溫 度下隔绝空气般烧，使得娃酸盐进入到生物炭的结构孔隙中；将含铁盐吸附在一定比例高 岭±上;硫