CN108356054B - 一种基质化煤矸石及其制备方法和一种育苗基质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基质化煤矸石的制备方法，涉及固体废物处理工艺。包括以下步骤：将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒；将煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物；对煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物；在活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石；将活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石。本发明的方法将煤矸石中部分类似煤的有机组分、腐植酸及中微量元素活化，形成适合植物生长的条件，达到变废为宝、资源化利用的目的。从实施例看出，本发明的煤矸石基质有利于植物根部生长，避免了草炭类基质易出现的顶盖土现象；保水性也相对于草炭基质好。
Description
技术领域
本发明涉及固体废物处理领域，尤其是一种基质化煤矸石及其制备方法和一种育苗基质。
背景技术
煤矸石的成分主要为硅、铝、钙、镁、铁的氧化物，煤矸石中这些氧化物的构成虽受产地不同具有较大的差异，但其化学组成和结构多与产地土层下风化岩石的矿质组成类似；煤矸石中还含部分类似煤的有机组分、腐植酸及中微量元素等。
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的含碳量较的岩石，已成为我国存量最大的工业固体废弃物。目前，我国煤矸石的利用率较低，处置方式多以露天堆放为主，在占用大量土地的同时也造成了许多环境问题。研制出用量大，利用率高，环境危害小的煤矸石资源化技术，是化解煤矸石环境问题并资源化利用的主要出路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基质化煤矸石及其制备方法和一种育苗基质，本发明能够提高煤矸石的利用率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基质化煤矸石的制备方法，包括以下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒；
2)将步骤1)得到的煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物；
3)对步骤2)得到的煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物；
4)在所述步骤3)得到的活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石；
5)将所述步骤4)得到的活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石。
优选地，所述步骤1)中煤矸石颗粒的粒度为0.5～1.0mm。
优选地，所述步骤2)中煤矸石颗粒与水的体积比为2：1。
优选地，所述步骤2)中煤矸石颗粒混合物的pH为1～3。
优选地，所述步骤3)中臭氧曝气和超声处理的温度为40～60℃。
优选地，所述步骤3)中臭氧曝气的曝气量为≥0.2g/(h·L)。
优选地，所述步骤3)中超声处理的功率为≥10W/L。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的基质化煤矸石，所述基质化煤矸石的阳离子交换量为6.8～8cmol(+)/kg。
本发明还提供了一种育苗基质，包括所述的基质化煤矸石和肥料。
优选地，所述育苗基质的盐度为＜0.3％。
本发明提供了一种基质化煤矸石的制备方法，包括以下步骤：1)将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒；2)将步骤1)得到的煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物；3)对步骤2)得到的煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物；4)在所述步骤3)得到的活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石；5)将所述步骤4)得到的活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石。本发明采用臭氧曝气和超声处理，将煤矸石中的腐植酸转化为有利于植物吸收的棕腐酸和黄腐酸；同时将煤矸石中类似煤的成分氧化并在表面形成孔洞，增加煤矸石的比表面积；活化后煤矸石的阳离子交换量由未活化处理时的5.5～6.1cmol(+)/kg提高到了6.8～8cmol(+)/kg，最终增强了基质化煤矸石对盐分和营养成分的缓冲能力，改善植物生长环境；海藻酸钠能够提高育苗基质的保水保肥性，同时还起到聚合基质化煤矸石的作用，增进基质化煤矸石对植物生长的促进作用。从实施例可以看出，本发明制得的基质化煤矸石与肥料混合得到的育苗基质，有利于植物根部生长，避免了草炭类基质易出现的顶盖土现象；保水性也相对于草炭基质要好，在同等栽培条件下，草炭基质需要1～2天一浇水，煤矸石基质能达到2～3天。同时，本发明的制备方法条件温和，工艺流程简单，易控制，成本低，便于推广。
具体实施方式
本发明提供了一种基质化煤矸石的制备方法，包括以下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒；
2)将步骤1)得到的煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物；
3)对步骤2)得到的煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物；
4)在所述步骤3)得到的活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石；
5)将所述步骤4)得到的活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石。
本发明将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒。本发明中，所述煤矸石优选为重金属含量低于土壤环境质量标准中三级标准的要求，腐植酸含量为30～70wt％的煤矸石。本发明对所述煤矸石的来源没有特殊的限定，只要是符合上述标准的煤矸石即可。
本发明中，所述煤矸石颗粒的粒度优选为0.5～1.0mm，更优选为0.6～0.8mm。本发明对所述粉碎的方法没有特殊的要求，采用本领域技术人员公知的粉碎方式即可。
得到煤矸石颗粒后，本发明将所述煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物。在本发明中，所述煤矸石颗粒与水的体积比优选为2：1。
在本发明中，所述煤矸石颗粒混合物的pH值优选为1～3，更优选为1.5～2.5，最优选为2。本发明中，所述酸优选为无机酸；所述无机酸优选为硫酸、盐酸或硝酸；更优选为硫酸或硝酸。本发明对所述酸的浓度和用量没有特殊的限定，能够将煤矸石颗粒混合物的pH调节为1～3即可。在本发明中，所述酸的加入能够起到杀菌和溶解部分物质的作用，并使煤矸石表面的结构得到改善。
本发明对所述煤矸石颗粒、水和酸的混合方式没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌。
得到煤矸石颗粒混合物后，本发明对煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物。本发明中，所述臭氧曝气和超声处理的温度优选为40～60℃，更优选为45～55℃，最优选为50℃。在本发明中，所述臭氧曝气和超声处理的时间优选为0.8～2h，更优选为1.0～1.5h。本发明中，所述臭氧曝气量优选为≥0.2g/(h·L)，更优选为0.4～1.0g/(h·L)。在本发明中，所述超声的功率优选为≥10W/L，更优选为40～60W/L。本发明中，所述臭氧曝气量和超声处理功率是依据煤矸石中腐植酸的含量进行调整，煤矸石中腐植酸含量高，臭氧曝气量和超声功率适当增强。本发明结合超声波在水中产生的空化效应和臭氧曝气的氧化作用，将煤矸石表面的腐植酸氧化并转化为有利于植物吸收的棕腐酸和黄腐酸，促进植物根部生长；同时将煤矸石表面类似煤的成分氧化分解，使煤矸石表面形成孔洞增加煤矸石的比表面积，改善植物生长环境，活化后煤矸石的阳离子交换量提高了20％以上，由未活化时的5.5～6.1cmol(+)/kg提高到6.8～8.0cmol(+)/kg。
得到活化煤矸石混合物后，本发明在所述活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石。本发明中，所述碱优选为氢氧化钠或氢氧化钾。本发明对所述碱的浓度和用量没有特殊的限定，能够将基质化煤矸石调节为育苗基质所需的pH即可。在本发明中，加入碱的目的是将基质化煤矸石调节为育苗基质所需的pH值，比如，如果制备水稻基质将pH调节为4.5～5.5，如果制备蔬菜基质将pH调节为5.5～7。
本发明中，所述固液分离方式没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的固液分离方式即可，具体的，如过滤。
得到活化煤矸石后，本发明将所述活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石。在本发明中，所述海藻酸钠水溶液的浓度优选为1.5wt％。本发明中，所述海藻酸钠水溶液与活化煤矸石的体积比优选为7～15％，更优选为8～13％，最优选为10％。本发明中，利用海藻酸钠的可降解性和水溶性，起到对肥料的缓冲作用，减少肥料流失，保水保肥；另外，煤矸石的本质还是石头，缺少土壤中的团粒结构，海藻酸钠的水溶粘性能起到团粒作用，增加煤矸石颗粒间的聚合。
本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如喷涂或搅拌。本发明对所述干燥的方式没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的干燥方式即可，具体的，如风干或烘干。
本发明还提供上述技术方案所述制备方法得到的基质化煤矸石，所述基质化煤矸石包括棕腐酸和黄腐酸。
本发明还提供了一种育苗基质，所述育苗基质包括基质化煤矸石和肥料。本发明中，所述育苗基质的盐度优选为＜0.3％，更优选为＜0.2％。本发明中，所述肥料与基质化煤矸石的质量比优选为0.1～0.5％，更优选为0.3～0.4％。本发明中，对所述肥料的种类没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的肥料即可。具体的，如水稻专用肥料，复合三元肥料。
在本发明中，所述育苗基质优选还包括蛭石、珍珠岩、甲壳素。本发明中，所述蛭石与基质化煤矸石的体积比优选为5～30％，更优选为10～25％，最优选为20％。本发明中，所述珍珠岩与基质化煤矸石的体积比优选为3～20％，更优选为5～12％，最优选为10％。本发明中，所述甲壳素与基质化煤矸石的重量比优选为0.01～1.0％，更优选为0.1～0.8％，最优选为0.3～0.5％。本发明对所述蛭石、珍珠岩的粒径、比表面积没有特殊的要求，根据不同育苗基质的需要进行调整即可；具体的，如蛭石的粒径优选为1～4mm，更优选为2～3mm；珍珠岩的粒径优选为3～8mm，更优选为4～5mm。
下面结合实施例对本发明提供的基质化煤矸石及制备方法和一种育苗基质进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将重金属检测合格，腐植酸含量为32.5％的煤矸石粉碎后过20目筛，获得粒径为0.5～0.8mm的煤矸石颗粒1L，加入500mL水，加入硫酸调节pH值至2，形成煤矸石颗粒混合物，采用臭氧曝气量为1g/h的臭氧发生器进行曝气，并同时利用额定最大功率为250W的超声波发生器，在60W的功率下超声曝气处理1小时，处理温度控制在45℃，间或搅拌，得到活化煤矸石混合物；在活化煤矸石混合物中加入氢氧化钠调节混合物的pH值至4.5，过滤得到活化煤矸石；采用乙酸铵法测量活化煤矸石的阳离子交换量；测得其活化煤矸石的阳离子交换量为6.8cmol(+)/kg；
将100mL海藻酸钠水溶液(浓度为1.5wt％)与活化煤矸石混合，烘干，得到基质化煤矸石；
取基质化煤矸石850g掺混水稻专用肥料3g，即制成水稻育苗基质。
实施例2
将重金属检测合格，腐植酸含量为56.5％的煤矸石粉碎后过20目筛，获得粒径为0.6～0.8mm的煤矸石颗粒2L，加入1000mL水，加入硫酸调节pH值至2，形成煤矸石颗粒混合物，采用臭氧产生量为1g/h的臭氧发生器双头曝气，在150W的功率下超声曝气处理90分钟，处理温度控制在40℃，间或搅拌，得到活化煤矸石混合物；在活化煤矸石混合物中加入氢氧化钾调节混合物的pH值至6.5，过滤，得到活化煤矸石；采用乙酸铵法测量活化煤矸石的阳离子交换量；测得其活化煤矸石的阳离子交换量为7.6cmol(+)/kg；
将160mL海藻酸钠水溶液(浓度为1.5wt％)与活化煤矸石混合，烘干，得到基质化煤矸石；
取基质化煤矸石1.8kg掺混复合三元肥料6g，混配体积比20％粒径2～3mm的蛭石和10％的粒径为4～5mm的珍珠岩，即制成蔬菜育苗基质。
实施例3
将重金属检测合格，腐植酸含量为62％的煤矸石粉碎后获得粒径为0.6～0.8mm的煤矸石颗粒3L，加入1500mL水，加入盐酸调节pH值至2.5，形成煤矸石颗粒混合物，采用臭氧产生量为1.8g/h的臭氧发生器双头曝气，在300W的功率下超声曝气处理90分钟，处理温度控制在40℃，间或搅拌，得到活化煤矸石混合物；采用乙酸铵法测量活化煤矸石的阳离子交换量；测得其活化煤矸石的阳离子交换量为8.0cmol(+)/kg；
在活化煤矸石混合物中加入氢氧化钾调节混合物的pH值至6.5，过滤，得到活化煤矸石；将450mL海藻酸钠水溶液(浓度为1.5wt％)与活化煤矸石混合，烘干，得到基质化煤矸石；
取基质化煤矸石2.8kg掺混复合三元肥料10g，混配体积比10％粒径2～3mm的蛭石、5％粒径为4～5mm的珍珠岩和0.5g甲壳素，即制成叶菜类生长基质。
将上述实施例制备的育苗基质与普通草炭类基质进行比较，由于煤矸石基质能够提供植物生长所需的适合容重，有利于植物根生长，避免了普通草炭类基质易出现的顶盖土现象；保水性也相对于普通草炭基质要好，普通草炭基质需要1～2天浇一次水；而本实施例中的育苗基质能达到2～3天浇一次水。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基质化煤矸石的制备方法，包括以下步骤：
1)将煤矸石粉碎，得到煤矸石颗粒；
2)将所述步骤1)得到的煤矸石颗粒与水和酸混合，得到煤矸石颗粒混合物；
3)对所述步骤2)得到的煤矸石颗粒混合物同时进行臭氧曝气和超声处理，得到活化煤矸石混合物；
4)在所述步骤3)得到的活化煤矸石混合物中加入碱，固液分离，得到活化煤矸石；
5)将所述步骤4)得到的活化煤矸石和海藻酸钠水溶液混合，经干燥得到基质化煤矸石；
所述步骤3)中超声处理的功率为≥10W/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中煤矸石颗粒的粒度为0.5～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中煤矸石颗粒与水的体积比为2：1。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中煤矸石颗粒混合物的pH值为1～3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中臭氧曝气和超声处理的温度为40～60℃。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中臭氧曝气的曝气量为≥0.2g/(h·L)。
7.权利要求1～6任一项所述的制备方法得到的基质化煤矸石，其特征在于，所述基质化煤矸石的阳离子交换量为6.8～8cmol(+)/kg。
8.一种育苗基质，包括权利要求7所述的基质化煤矸石和肥料。
9.根据权利要求8所述的育苗基质，其特征在于，所述育苗基质的盐度为＜0.3％。
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