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CN111690416B - 一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法 - Google Patents

一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法 Download PDF

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CN111690416B CN202010589877.4A CN202010589877A CN111690416B CN 111690416 B CN111690416 B CN 111690416B CN 202010589877 A CN202010589877 A CN 202010589877A CN 111690416 B CN111690416 B CN 111690416B
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Abstract

本发明公开一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，包括以下步骤：(1)拌合：将工业固废、粘合剂和酸碱调节物料混合，并进行高速强力机械拌合，得到拌合料；所述粘合剂是由膨润土、玉米糊精和植物根茎组成；所述酸碱调节物料包括酸性物料和碱性物料；(2)成型：采用强力压球机将步骤(1)制得的拌合料压制成胶囊状颗粒；(3)还原焙烧：采用矿物焙烧还原装置对步骤(2)得到的胶囊状颗粒进行还原焙烧，得到新型土壤调节功能性材料。本发明采用工业固废作为原料，不但可有效解决工业固废的处理难题，而且所生产的新型土壤调节功能性材料具有磁性，内部具有良好的孔隙结构，有较强磁团聚，可起到较好土壤调理功能。

Description

一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法
技术领域
本发明涉及环保领域、农业领域，具体地说是涉及土壤治理与修复、改良，更为具体地说是涉及一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法。
背景技术
工业固废是指在工业生产中产生的固体废弃物。工业固废长期堆存不仅占用大量土地，而且会造成水系、土壤和大气的严重污染。如工业固废长期堆存，经过雨雪淋溶，可溶成分随水从地表向下渗透，向土壤迁移转化，使堆场附近土质酸化、碱化或硬化。
新型土壤调节功能性材料是用于调理土壤的产品，主要针对那些因为过渡使用或者污染导致营养流失的土壤。目前，土壤调节剂产品多样，但大都是通过粉煤灰、石灰石等物质来调整土壤酸碱度以达到调理土壤的目的，有的土壤调节剂还会再简单混合磷酸二铵、磷酸二氢钾等物质成分，以为土壤提供营养元素。上述土壤调节剂不但制备成本高，而且对土壤的改善效果也有待于进一步改进。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，包括以下步骤：
(1)拌合
将工业固体废物、粘合剂和酸碱调节物料混合，并进行机械拌合，得到拌合料；
所述工业固体废物与粘合剂的用量比为90～95∶3～7，以重量份计；
所述粘合剂是由膨润土、玉米糊精和植物根茎组成，其中膨润土、玉米糊精和植物根茎的用量比为3～5∶1～3∶1～3，以重量份计；
所述酸碱调节物料包括酸性物料和碱性物料；
(2)成型
采用强力压球机将步骤(1)制得的拌合料压制成胶囊状颗粒；
(3)还原焙烧
采用矿物焙烧还原装置对步骤(2)得到的胶囊状颗粒进行还原焙烧，具体包括以下步骤：
(31)启动进料区的自动密封装置，使胶囊状颗粒经进料区进入干燥预热区；
(32)启动定向加压装置，使燃烧剂添加装置提供的气相燃烧剂与还原剂添加装置提供的气相还原剂在定向加压装置的抽力作用下往上运动；
(33)在干燥预热区气相燃烧剂与还原剂给胶囊状颗粒预热，然后胶囊状颗粒在自身重力及气压作用下缓慢下降，经焙烧氧化反应区、调压区与还原反应区；
(34)焙烧氧化反应区为负压区，控制压力范围为P0-300Pa～P0-4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在压力与温度控制下，胶囊状颗粒中的矿物分子处于活跃状态，同时胶囊状颗粒中的结晶水、毛细水、气态、液态物质去除，在胶囊状颗粒中形成蜂窝状孔隙结构；
(35)控制调压区调压风门的开启个数，使还原反应区为正压区，控制还原区压力范围为P0+300Pa～P0+4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在还原区，胶囊状颗粒中的矿物分子在高活跃状态下，与还原剂分子进行氧化还原反应，矿物价态发生本质改变；
(36)还原反应区还原后的胶囊状颗粒经出料区排入水封冷却区，水封冷却区温度范围控制在50℃～80℃，胶囊状颗粒经水封冷却区冷却稳定后排出，得到新型土壤调节功能性材料。
优选的，所述工业固体废物包括选矿尾渣、高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、脱硫灰、电石渣和盐泥。
优选的，所述酸性物料选自有机酸、无机酸或其相应的盐类，无机酸包括盐酸根、硫酸根和硝酸根，具体可选择氯化钙、硫酸钙、硝酸钙等，碱性物料选自钠离子(如氢氧化钠)或熟石灰等。
优选的，所述工业固体废物选择赤泥时，酸碱调节物料选择酸性矿物，其中赤泥、粘合剂和酸性矿物的重量份配比为92∶5∶3，粘合剂中膨润土、玉米糊精和植物根茎的重量份配比为3∶1∶1。
上述酸性矿物可选择硫酸渣或酸泥等，比如电解铜、铝、不锈钢等形成的酸泥。
一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，该方法还包括以下步骤：
(4)合成
选择磷酸二铵、尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、过磷酸钙、氯化钾、磷酸二氢钾中的任意一种物质或两种以上物质的组合，配制成溶液；
将所制得的新型土壤调节功能性材料浸泡于上述溶液中，然后取出；或将上述溶液通过喷嘴喷洒在所制得的新型土壤调节功能性材料上；
(5)烘干
将从溶液中浸泡后的新型土壤调节功能性材料，或喷洒有溶液的新型土壤调节功能性材料置于50～60℃条件下烘干，得到复合新型土壤调节功能性材料。
优选的，还包括对新型土壤调节功能性材料充磁的步骤，将从溶液中浸泡后的新型土壤调节功能性材料，或喷洒有溶液的新型土壤调节功能性材料在烘干时，或烘干完成后置于磁场环境中进行充磁。
上述磁场环境可通过电磁感应线圈等产生，如将电磁感应线圈布置在烘干输送带部分段体周圈，使得新型土壤调节功能性材料在烘干过程中进行充磁。当然也可采用其他充强磁设备，如磁滑轮等。所述磁场环境中的磁强度可为5000高斯-20000高斯，待充磁的土壤调节功能性材料置于强磁场环境中2-10min。
优选的，所述新型土壤调节功能性材料在溶液中的浸泡时间为30-60分钟。
优选的，所述胶囊状颗粒为异形颗粒，如扁平的截面为椭圆形的胶囊状等，具有在后期还原焙烧时易烧透等优点。
本发明的有益技术效果是：
本发明采用工业固废作为原料，生产新型土壤调节功能性材料，不但可有效解决工业固废的处理难题，而且所生产的新型土壤调节功能性材料具有“保水、增肥、透气”三大土壤调理性能。由于材料的功能特性能够打破土壤板结、疏松土壤、提高土壤透气性、降低土壤容重，促进土壤微生物活性、增强土壤肥水渗透力、增加土壤矿物元素活性吸收、改变土壤磁场环境、防止土壤风蚀性、治理重金属污染、治理酸碱盐的土壤；因此土壤调节功能性材料具有修复改良土壤，治理荒漠.治理盐碱，保水抗旱，增强农作物抗病能力，提高农作物产量，改善农产品品质，恢复农作物原生态等功能，大幅度提高植树成活率和农产品产量；改善农林产品品质，恢复农林产品的天然风貌。
本发明在原料拌合时，添加有合适用量的膨润土、玉米糊精和植物根茎等作为粘合剂，该粘合剂不但可起到粘合作用，便于压制成球，而且在后续焙烧还原过程中，随着结晶水、毛细水、气态、液态物质的去除，可以形成良好的晶格孔隙结构。
本发明新型土壤调节功能性材料不但具有磁性及优异的孔隙结构，还通过焙烧还原水淬工艺，使得其中的矿物分子具有价态活性，矿物晶型发生改变，对土壤调理效果好。
本发明制得的新型土壤调节功能性材料可通过浸泡、喷淋及充磁的工艺附着上氮、磷、钾等肥料，得到复合新型土壤调节功能性材料，该功能性材料能够活化土壤，使土壤中某些不能被作物吸收的养分转化为可吸收的营养，同时有利于土壤中微团粒结构的形成，增强土壤的透气性和保水保肥能力，改变土壤的磁场环境，利于作物生长发育。
本发明制备新型土壤调节功能性材料时采用工业固废、玉米糊精和植物根茎等作为原料，制备成本低，所制得的新型土壤调节功能性材料可进一步通过浸泡、喷淋及充磁工艺附着上氮、磷、钾等肥料，还可进一步置于磁场环境中进行充强磁，以增强肥料的磁化率，从而得到不同类型的复合新型土壤调节功能性材料，制备方法灵活新颖。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明还原焙烧步骤中所采用的矿物焙烧还原装置的结构原理示意图。
具体实施方式
实施例1
一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，包括以下步骤：
(1)拌合
选取赤泥、粘合剂和酸性矿物为原料，将赤泥、粘合剂和酸性矿物按重量份配比92∶5∶3的比例混合，并进行高速强力机械拌合，得到拌合料。其中，粘合剂是由膨润土、玉米糊精和植物根茎组成，其中膨润土、玉米糊精和植物根茎的重量份配比为3∶1∶1。酸性矿物可选择硫酸渣或酸泥。
(2)成型
采用强力压球机将步骤(1)制得的拌合料压制成胶囊状颗粒，压球机的压力为500MPa。
(3)还原焙烧
采用矿物焙烧还原装置对步骤(2)得到的胶囊状颗粒进行焙烧还原，该矿物焙烧还原装置包括从上至下依次设置且相互连通的进料区1、干燥预热区2、焙烧氧化反应区3、调压区4、还原反应区5、出料区6与水封冷却区7。在进料区1上下依次设置有1号自动密封装置8与2号自动密封装置9。在干燥预热区2的上部设置有定向加压装置，定向加压装置用于抽真空。在焙烧氧化反应区3的周边上下依次设置有一层燃烧剂添加装置10与二层燃烧剂添加装置11，用于提供燃烧剂。在干燥预热区2、焙烧氧化反应区3与还原反应区5的内部设置有矿物翻转装置。在调压区4的侧壁上设置有多个调压风门。在还原反应区5的下部设置有还原剂添加装置，还原剂添加装置用于提供还原剂。在出料区6设置有自动排矿装置。在水封冷却区7设置有水淬冷却装置。
胶囊状颗粒还原焙烧包括以下步骤：
(31)启动进料区的自动密封装置，使胶囊状颗粒经进料区进入干燥预热区。
(32)启动定向加压装置，使燃烧剂添加装置提供的气相燃烧剂与还原剂添加装置提供的气相还原剂在定向加压装置的抽力作用下往上运动。
(33)在干燥预热区气相燃烧剂与还原剂给胶囊状颗粒预热，然后胶囊状颗粒在自身重力及气压作用下缓慢下降，经焙烧氧化反应区、调压区、还原反应区与水淬。
(34)焙烧氧化反应区为负压区，控制压力范围为P0-300Pa～P0-4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在压力与温度控制下，胶囊状颗粒中的矿物分子处于活跃状态，同时胶囊状颗粒中的结晶水、毛细水、气态、液态物质的去除，在胶囊状颗粒中形成蜂窝状孔隙结构。
(35)控制调压区调压风门的开启个数，使还原反应区为正压区，控制还原区压力范围为P0+300Pa～P0+4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在还原区，胶囊状颗粒中的矿物分子在高活跃状态下，与还原剂分子进行氧化还原反应，矿物价态发生本质改变。
(36)还原反应区还原后的胶囊状颗粒经出料区排入水封冷却区，水封冷却区温度范围控制在50℃～80℃，胶囊状颗粒经水封冷却区冷却稳定后排出，得到新型土壤调节功能性材料。
实施例2
制备方法同实施例1，区别之处在于：选取粉煤灰、粘合剂和草酸为原料，粉煤灰、粘合剂和草酸的重量份配比为95∶3∶2，其中粘合剂是由膨润土、玉米糊精和植物根茎组成，其中膨润土、玉米糊精和植物根茎的重量份配比为3∶1∶2。
实施例3
制备方法同实施例1，区别之处在于：将硫酸渣、粘合剂和熟石灰按重量份配比95∶3∶5的比例混合；粘合剂中膨润土、玉米糊精和植物根茎的重量份配比为3∶2∶1。
实施例4
选择磷酸二铵和碳酸氢铵为原料，配制成溶液。磷酸二铵和碳酸氢铵的重量份配比为1∶1，溶液中磷酸二铵和碳酸氢铵的质量百分比浓度均为35％。
将实施例1中制得的新型土壤调节功能性材料浸泡于上述溶液中，浸泡时间为30分钟，然后取出，置于60℃条件下烘干，得到复合新型土壤调节功能性材料。
实施例5
选择氯化钾为原料，配制成溶液。溶液中氯化钾的质量百分比浓度为40％。将实施例2中制得的新型土壤调节功能性材料浸泡于上述溶液中，浸泡时间为40分钟，然后取出，置于60℃条件下烘干，得到复合新型土壤调节功能性材料。
实施例6
选择磷酸二铵和碳酸氢铵为原料，配制成溶液。磷酸二铵和碳酸氢铵的重量份配比为1∶1，溶液中磷酸二铵和碳酸氢铵的质量百分比浓度均为35％。
将实施例1中制得的新型土壤调节功能性材料浸泡于上述溶液中，浸泡时间为30分钟，然后取出，置于60℃条件下烘干，然后置于5000高斯的强磁场环境中2分钟，得到复合新型土壤调节功能性材料。
试验验证
1、将实施例1、实施例2、实施例3制成的新型土壤调节功能性材料和现有市售土壤调节剂均按0.1％的质量分数加入镉污染农田土壤中，混合均匀静置一周后检测土壤中有效态镉的含量，结果如下表1所示。
表1
Figure GDA0003278169510000061
根据表1中的结果来看，本发明新型土壤调节功能性材料可有效降低原始土壤中重金属离子镉的含量，而且较现有土壤调节剂效果更优。
2、选取实施例4中制得的复合新型土壤调节功能性材料与尿素按重量份1∶1的比例混合，计为肥料4；选取实施例5中制得的复合新型土壤调节功能性材料与尿素按重量份1∶1的比例混合，计为肥料5；仅选用尿素的计为肥料6，肥料4、肥料5、肥料6的施加量一致，并保持其余条件的一致性，分别用于小麦、油菜、棉花的种植，增产对比结果如下表2。
表2
农作物 肥料4 肥料5 肥料6
小麦 21.7％ 20.8％ 18.7％
油菜 29.8％ 37.6％ 24.3％
棉花 26.9％ 44.7％ 22.1％

Claims (4)

1.一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)拌合
将工业固体废物、粘合剂和酸碱调节物料混合，并进行机械拌合，得到拌合料；
所述工业固体废物与粘合剂的用量比为90～95∶3～7，以重量份计；
所述粘合剂是由膨润土、玉米糊精和植物根茎组成，其中膨润土、玉米糊精和植物根茎的用量比为3～5∶1～3∶1～3，以重量份计；
所述酸碱调节物料包括酸性物料和碱性物料；
(2)成型
采用压球机将步骤(1)制得的拌合料压制成胶囊状颗粒；
(3)还原焙烧
采用矿物焙烧还原装置对步骤(2)得到的胶囊状颗粒进行还原焙烧，该矿物焙烧还原装置包括从上至下依次设置且相互连通的进料区、干燥预热区、焙烧氧化反应区、调压区、还原反应区、出料区与水封冷却区；在进料区上下依次设置有1号自动密封装置与2号自动密封装置；在干燥预热区的上部设置有定向加压装置，定向加压装置用于抽真空；在焙烧氧化反应区的周边上下依次设置有一层燃烧剂添加装置与二层燃烧剂添加装置，用于提供燃烧剂；在干燥预热区、焙烧氧化反应区与还原反应区的内部设置有矿物翻转装置；在调压区的侧壁上设置有多个调压风门；在还原反应区的下部设置有还原剂添加装置，还原剂添加装置用于提供还原剂；在出料区设置有自动排矿装置；在水封冷却区设置有水淬冷却装置；还原焙烧具体包括以下步骤：
(31)启动进料区的自动密封装置，使胶囊状颗粒经进料区进入干燥预热区；
(32)启动定向加压装置，使燃烧剂添加装置提供的气相燃烧剂与还原剂添加装置提供的气相还原剂在定向加压装置的抽力作用下往上运动；
(33)在干燥预热区气相燃烧剂与还原剂给胶囊状颗粒预热，然后胶囊状颗粒在自身重力及气压作用下缓慢下降，经焙烧氧化反应区、调压区与还原反应区；
(34)焙烧氧化反应区为负压区，控制压力范围为P0-300Pa～P0-4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在压力与温度控制下，胶囊状颗粒中的矿物分子处于活跃状态，同时胶囊状颗粒中的结晶水、毛细水、气态、液态物质去除，在胶囊状颗粒中形成蜂窝状孔隙结构；
(35)控制调压区调压风门的开启个数，使还原反应区为正压区，控制还原区压力范围为P0+300Pa～P0+4000Pa，P0为大气压强，温度范围为750℃～1250℃，在还原区，胶囊状颗粒中的矿物分子在高活跃状态下，与还原剂分子进行氧化还原反应，矿物价态发生本质改变；
(36)还原反应区还原后的胶囊状颗粒经出料区排入水封冷却区，水封冷却区温度范围控制在50℃～80℃，胶囊状颗粒经水封冷却区冷却稳定后排出，得到新型土壤调节功能性材料；
(4)合成
选择磷酸二铵、尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、过磷酸钙、氯化钾、磷酸二氢钾中的任意一种物质或两种以上物质的组合，配制成溶液；
将所制得的新型土壤调节功能性材料浸泡于上述溶液中，然后取出；或将上述溶液通过喷嘴喷洒在所制得的新型土壤调节功能性材料上；
(5)烘干
将从溶液中浸泡后的新型土壤调节功能性材料，或喷洒有溶液的新型土壤调节功能性材料置于50～60℃条件下烘干，得到复合新型土壤调节功能性材料；
该方法还包括对新型土壤调节功能性材料充磁的步骤，将从溶液中浸泡后的新型土壤调节功能性材料，或喷洒有溶液的新型土壤调节功能性材料在烘干时，或烘干完成后置于磁场环境中进行充磁；
所述工业固体废物包括选矿尾渣、高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣和硫酸渣。
2.根据权利要求1所述的一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，其特征在于：所述酸性物料选自有机酸或无机酸，无机酸包括盐酸根、硫酸根和硝酸根，碱性物料选自钠离子或熟石灰。
3.根据权利要求1所述的一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，其特征在于：所述工业固体废物选择赤泥时，酸碱调节物料选择酸性矿物，其中赤泥、粘合剂和酸性矿物的重量份配比为92∶5∶3，粘合剂中膨润土、玉米糊精和植物根茎的重量份配比为3∶1∶1。
4.根据权利要求1所述的一种利用工业固体废物生产新型土壤调节功能性材料的方法，其特征在于：所述新型土壤调节功能性材料在溶液中的浸泡时间为30-60分钟。
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