一種修復(fù)重金屬污染酸性土壤的鈣鐵硅基復(fù)合材料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土壤污染修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種修復(fù)重金屬污染酸性土壤的鈣鐵硅基復(fù)合材料及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對礦產(chǎn)資源的需求量日益增長，采礦活動所帶來的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。
[0003]采礦和金屬冶煉過程中形成的酸性礦水的不合理排放，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)退化，農(nóng)田污染嚴(yán)重。酸性礦水污染農(nóng)田主要存在極端酸性的pH值和重金屬含量過高兩個方面的問題。重金屬污染農(nóng)田，不僅導(dǎo)致土壤退化，還會通過食物鏈威脅人類健康。尤其值得注意的是，由于我國耕地缺乏，大多數(shù)中低污染農(nóng)田依然進行著生產(chǎn)，如果不采取合適的應(yīng)對措施，這些在中低污染農(nóng)田中生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品，可能對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。尤其對水稻這種富集鎘等重金屬的作物而言，環(huán)境風(fēng)險更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有土壤重金屬污染的缺陷和修復(fù)技術(shù)不足，提供一種媽鐵娃基復(fù)合材料的配方，及該復(fù)合材料對重金屬(Cd、Pb、As、Cr、Cu或Zn)復(fù)合污染或單金屬污染酸性土壤，尤其是稻田和旱地土壤(如蔬菜、玉米、果樹或甘蔗等經(jīng)濟作物用地)修復(fù)的方法，通過鈣基物質(zhì)調(diào)控酸性重金屬污染土壤PH (改善土壤酸性和降低重金屬活性)，通過鐵基和硅基物質(zhì)調(diào)控農(nóng)產(chǎn)品如水稻、蔬菜對重金屬的積累效應(yīng)，改善土壤環(huán)境的同時，降低了農(nóng)產(chǎn)品對重金屬的富集，實現(xiàn)修復(fù)污染土壤、降低農(nóng)產(chǎn)品食用安全風(fēng)險和提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的三重效益；所產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量達到國家糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，為我國南方重金屬污染土壤尤其稻田和菜地土壤修復(fù)提供了一種性價比高的修復(fù)方法。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種修復(fù)重金屬污染酸性土壤的鈣鐵硅基復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供上述鈣鐵硅基復(fù)合材料在修復(fù)重金屬污染酸性土壤中的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的再一目的是提供利用上述鈣鐵硅基復(fù)合材料修復(fù)重金屬污染酸性土壤的方法。
[0008]本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種修復(fù)重金屬污染酸性土壤的鈣鐵硅基復(fù)合材料，其構(gòu)成元素的質(zhì)量比為:鈣:鐵:硅:錳:鎂:磷:鋁=30?40:19?25:8?12:1?3:5?6:1?3:2?5。
[0009]優(yōu)選地，所述鈣鐵硅基復(fù)合材料的構(gòu)成元素的質(zhì)量比為:鈣:鐵:硅:錳:鎂:磷=35:22: 10:2:4:20
[0010]具體地，上述構(gòu)成元素以其氧化物計，所述鈣以CaO計，所述鐵以Fe2O3計，所述硅以S1i^+，所述猛以MnO計，所述鎂以MgO計，所述磷以P 205計，招以Al 203計。
[0011]更具體地，作為一種可實施的優(yōu)選方案，所述鈣鐵硅基復(fù)合材料由以下體積百分比的組分組成:55?70%硅酸鈣、20?30%鐵酸鈣和5?15%復(fù)合混合物；所述復(fù)合混合物為鈣鐵鋁氧化物(Ca2 [Fe (Fe0.866A10.134) O5])、硅酸鈣鐵(CaFe3Si2O8 (OH))、鋁酸鈣(Ca11.3A114032.3)、鈣鋁氧化物(Ca3Al2O6)、鈣錳鐵氧化物(Ca3Mn1.2FeL808)、羥基磷酸鋁(Al4(PO4) 3 (OH) 39H20)和羥基磷酸錳(Mn5 (PO3) (OH) 2 (PO4) 2 (H2O) 4)的混合物。
[0012]其中，所述硅酸鈣為硅酸三鈣Ca3S1jP/或硅酸二鈣Ca2S14;所述鐵酸鈣為鈣鐵氧化物CaFe2O4和/或黑鈣鐵礦Ca 2Fe205。
[0013]優(yōu)選地，所述硅酸鈣為3?5:5?7的硅酸三鈣Ca3S15和硅酸二鈣Ca #丨04的混合物；所述鐵酸鈣為3?5:5?7的鈣鐵氧化物CaFe2O4和黑鈣鐵礦Ca 2Fe205的混合物。
[0014]優(yōu)選地，所述復(fù)合混合物的各組分體積比為:鈣鐵鋁氧化物:硅酸鈣鐵:鋁酸鈣:鈣鋁氧化物:鈣錳鐵氧化物:羥基磷酸鋁:羥基磷酸錳=1?5:20?30:1?3:1?3:2?
6:2 ?6:2 ?6ο
[0015]更優(yōu)選地，所述鈣鐵硅基復(fù)合材料由以下體積百分比的組分組成:65%硅酸鈣、25%鐵酸鈣和10%復(fù)合混合物；其中所述復(fù)合混合物的各組分體積比為:鈣鐵鋁氧化物:硅酸鈣鐵:鋁酸鈣:鈣鋁氧化物:鈣錳鐵氧化物:羥基磷酸鋁:羥基磷酸錳=1:5:0.5:0.5:1:
1:1ο
[0016]另外，優(yōu)選地，上述硅酸鈣、鐵酸鈣和復(fù)合混合物中的各組分均粉碎至粉末狀，并過0.2 mm篩。我們研究發(fā)現(xiàn)，在利用本發(fā)明的鈣鐵硅基復(fù)合材料阻控植物吸收重金屬時，將所述組份混勻粉碎至0.2 mm的細顆粒時，對土壤的改良和修復(fù)效果為最佳。
[0017]上述的鈣鐵硅基復(fù)合材料在改良修復(fù)土壤方面的應(yīng)用，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0018]優(yōu)選地，所述土壤為重金屬污染(包括輕度至重度污染)土壤、酸化土壤、缺硅或缺鐵土壤。
[0019]優(yōu)選地，所述重金屬為Cd和/或Pb和/或As和/或Cu和/或Zn和/或Cr。
[0020]更優(yōu)選地，所述土壤為Cd和/或Pb和/或As污染的稻田土壤或蔬菜、玉米、果樹或甘蔗等經(jīng)濟作物土壤。
[0021]具體優(yōu)選地，所述應(yīng)用的方法(即利用該復(fù)合材料修復(fù)污染土壤的方法，也是所述的利用鈣鐵硅基復(fù)合材料改良土壤和阻隔稻米吸收重金屬的方法)為:在植物移栽一周前，將受污染土壤進行翻耕和平整后，按照1.8 t Aa1?3.6 fha 1的施用量，將鈣鐵硅基復(fù)合材料基施于受污染土壤上，犁田使鈣鐵硅基復(fù)合材料與O?20cm耕層土壤充分混勻。
[0022]當(dāng)受重金屬污染的酸性土壤為水稻田土壤時，在植物移栽一周前，將受重金屬污染的酸性稻田土壤翻耕和平整后，按照1.8 fha1?3.6 fha 1的施用量，將鈣鐵硅基復(fù)合材料基施于受重金屬污染的酸性稻田土壤上，犁田使鈣鐵硅基復(fù)合材料與O?20cm耕層土壤充分混勻，灌水，保持2?3cm淹水狀態(tài)，平衡一周左右；移栽水稻秧苗，后續(xù)水稻栽培技術(shù)按常規(guī)稻作管理實施即可。
[0023]實際應(yīng)用時，具體施用量根據(jù)土壤中重金屬受污染程度進行調(diào)整。優(yōu)選地，可參照如下標(biāo)準(zhǔn)進行:
當(dāng)土壤中重金屬超標(biāo)2倍以下(如總Cd含量小于0.6 mg.kg 時，鈣鐵硅基復(fù)合材料施用劑量為1.8 t.ha S當(dāng)土壤中重金屬超標(biāo)2倍?4倍時(如總Cd含量為0.6mg.kg kCdU.0 mg.kg 1XI丐鐵娃基復(fù)合材料施用劑量為3.6 t.ha 1O
[0024]而施用方式可單施，或與其他肥料混施；施用量可根據(jù)具體情況靈活掌握。
[0025]本發(fā)明經(jīng)過大量研究，研制出一種鈣鐵硅基復(fù)合材料的配方，該復(fù)合材料對重金屬污染酸性稻田土壤具有優(yōu)異的修復(fù)性能，經(jīng)長期野外試驗證實，該鈣鐵硅基復(fù)合材料施用于重金屬污染的酸性稻田土壤后，不僅能夠改善污染土壤的理化性質(zhì)，鈍化酸性土壤中重金屬活性，而且能夠大幅降低稻米中重金屬含量，達到國家糧食衛(wèi)生安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。
[0026]富鈣物質(zhì)的施用能夠在較短時間內(nèi)形成Ca(OH)2等堿性物質(zhì)顯著提高土壤的pH，鈍化土壤中重金屬活性；同時，水稻為喜硅作物，富硅物質(zhì)的施用能夠增加土壤和植株中有效硅的含量，提高土壤的PH，鈍化土壤中重金屬的活性，并且提高了水稻的光合作用及抗逆性能，有增產(chǎn)的效果；另外，富鐵改良劑的施用能提高土壤和植株中有效態(tài)鐵的含量，促進鐵錳氧化物的形成，從而吸附土壤中重金屬離子，使重金屬形態(tài)向難溶態(tài)或殘渣態(tài)轉(zhuǎn)換，減少水稻對重金屬的生物可利用性。
[0027]另外，有研究亦表明，鎘能夠通過競爭作用利用水稻對鐵的吸收轉(zhuǎn)運通道進入水稻植株體內(nèi)，故施加富鐵物質(zhì)可能會抑制鐵相關(guān)尚未和力轉(zhuǎn)運基因的表達，從而部分阻斷鎘的吸收轉(zhuǎn)運通路，達到大幅降低稻米中鎘含量之目的。
[0028]實驗結(jié)果顯示，本發(fā)明所述鈣鐵硅基復(fù)合材料應(yīng)用于受重金屬(Cd，Pb, Cr, As,Cu, Zn)輕-重度污染的稻田土壤，可以使土壤pH提高0.5?2.5個單位，土壤中有效態(tài)重金屬含量顯著降低了 64%?94% ;前三個生長季精米中的Cd的含量均達到了食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762-2012)，比空白處理下降33%?50% ;稻谷產(chǎn)量分別比空白處理增產(chǎn)16%?38%。
[0029]該復(fù)合材料用于改良修復(fù)重金屬污染酸性旱地土壤，可使鎘砷污染酸性旱地土壤pH提高0.70?2.37單位，土壤中有效態(tài)砷下降71.76?85.29%，有效態(tài)鎘下降90.48?97.88%