[发明专利]一种土壤重金属离子吸附剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及土壤重金属污染修复和农产品安全生产质量控制的种植技术领域。

技术背景

随着近几十年工业化进程的发展，各种工业如采矿业、冶金业、化工业等所产生的废水和固体废弃物的浸出液直接进入水体，随着水系的分布和农业灌溉用水的需要进入农田环境。土壤是农产品生产的直接载体,土壤中的化学物质在农业生产中被农作物吸收而进入农产品，土壤是否遭受污染以及污染程度直接影响农产品的品质与产量(周启星主编.健康土壤学—土壤健康质量与农产品安全.2005，北京:科学出版社)，因此，农产品质量安全与土壤污染关系密切。土壤重金属首先通过农产品根部吸收产生累积和在植物体内迁移，当污染含量超过农作物的最大允许浓度时,农产品的食用安全就难以得到保障,2011年农产品质量调查数据显示，中国10％大米存在镉污染，长期食用可致人体“骨痛病”的发生。因此、土壤、污水重金属污染严重危害着包括人类在内的各种生命体的健康与生存。土壤、废水重金属污染具有持久性，生物富集性和放大等作用，如何有效地治理重金属废水污染以及重金属土壤污染己成为人类共同关注的问题。

目前,我国受Cd、As和Pb等重金属污染的耕地面积近2000万hm²,约占耕地总面积的1/5,其中受Cd污染的耕地面积近1.33万hm²,涉及11个省25个地区,每年因重金属污染导致粮食减产超过1000万吨,被重金属污染不能食用的粮食达到1200万吨(韦朝阳等,重金属超富集植物及植物修复技术研究进展，生态学报，2001，21(7)：1196-1203),全国有不少地区已经发展到生产“镉米”的程度。2000年对全国2.2亿吨粮食调查发现,粮食中重金属Pb、Cd、Hg和As超标率达10％。2002年,农业部稻米及其制品质量监督检验测试中心对全国市场稻米安全性抽检结果显示,稻米中超标最严重的是Pb,超标率为28.4％,其次是Cd,超标率为10.3％,As和Hg超标率相对较低,分别为2.8％和3.4％,并呈现一定的复合污染现象(程旺大等,晚粳稻籽粒中砷、镉、铬、镍、铅等重金属含量的品种和粒位效应，中国水稻科学,2005,19(3):273-279)。

根据重金属污染土壤修复控制技术原理的不同，常见的土壤重金属污染处理方法大致可分为三种，即化学法、物理化学法和生物法。化学法处理重金属污染土壤主要包括化学沉淀法和电解法,主要适用于含较高浓度重金属离子尾矿库土壤的处理。物理化学法处理重金属污染土壤包括离子交换法和膜分离技术，适用于含较低浓度重金属离子土壤的处理。生物法主要是指植物修复方法，该方法是指利用植物通过吸收、沉淀和富集等作用降低被污染土壤或地表水的重金属含量,以达到治理污染、修复环境的目的。生物处理方法包括生物絮凝法、生物吸附法。生物吸附就是生物体及其衍生物对介质中重金属的吸附作用,包括细胞的不同部位对重金属离子的络合、离子交换、吸附和无机微沉淀等。生物吸附法是近年来一种崭新的重金属污染治理方法，以其高效、廉价的优点逐渐引起了人们的兴趣。国外从80年代开始这方面的研究，90年代发展较快，生物吸附法与其它重金属污染土壤处理方法相比具有能够减少农作物对土壤中重金属的吸收富集量，运行费用低，能回收重金属和没有二次污染的优点。且生物源具有容易固定化，并可根据需要制成特殊的生物吸附剂并反复使用。因此，生物吸附法有很好的农业环境重金属污染治理应用前景。

生物吸附法的成功实施，关键取决于吸附剂的研制和应用。生物吸附剂一般指能够吸附重金属的微生物体，包括藻类、细菌、真菌等。随着生物吸附技术的日益发展，生物吸附剂不仅仅局限于微生物，一些丰富的天然物质，特别是纤维素，被认为是具有相当潜力的生物吸附剂。纤维素是地球上最丰富的，可以恢复的天然资源，具有价廉、可降解并对环境不产生污染等优点。但是天然纤维素吸附重金属能力并不很强,必须通过改性才能使其成为性能良好的吸附材料。2001年，刘明华等研究表明，改性球形纤维素对Cr³⁺吸附量为28mg/g；2009年，王瑀等研究表明,改性甘蔗残渣对Cu²⁺吸附量高达58.53mg/g。可以看出，生物吸附剂来源广泛，品种多，许多生物材料都有优越的吸附重金属能力。农作物秸秆是世界上生物量巨大的农业废弃物。尤其是玉米、小麦、水稻等作物秸杆富含纤维素成分,可以在许多领域发挥重要的作用，但是，现有的利用状况造成了相当一部分的农作物秸秆被低值使用和直接废弃，农业废弃物改性方法和制备技术的发展为作物制备离子吸附剂提供了理论基础和研究方向。

发明内容