一种利用富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子的方法

1.本发明属于铝离子固化材料制备领域，具体涉及一种富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子的方法。


背景技术：

2.铝元素作为地壳中含量最丰富的金属元素之一，其在酸性土壤中的毒害作用严重阻碍植被生长，直接导致了大面积的植被覆盖退化。有学者调查发现，全球的森林衰退与土壤的酸化和铝含量密切相关(ulrich b,1980)。至今为止，如土壤科学、环境化学、地理分布、营养生理学和毒害防治等方向的研究者们对铝元素在不同学科领域的作用做了大量的研究工作，并取得了一定的研究进展。其中，如何防止铝离子自由迁移而产生铝毒一直是近几十年的研究重点和热点。
3.目前，对于去除铝离子方面，常采用离子交换树脂法、多孔材料吸附法、化学沉淀法等，这些方法对去除游离铝离子方面显示出了有效性。然而，对于土壤中的游离铝离子而言，包括多孔材料吸附法在内上述方法未能针对性克服离子脱出带来的二次污染问题(吸附材料的后处理问题)，这是由于铝离子通过简单固定后，受土壤ph、温度和土壤的阳离子交换性等因素影响，造成失稳而发生重新迁移。因此，采用科学的方法实现高稳定性固化铝离子极具挑战性。
4.粘土矿物广泛分布于地表层和大气对流层(mustard j，2008；zeng q，2020)。在粘土矿物结构缺陷方面，由于矿物层板的同晶取代作用，其晶层结构中含有大量点缺陷，这一性质赋予了其晶层中原子级的化学活性(bergaya f,2013)。另外，在自然环境中，由人类或自然活动原因引起的酸性土壤中含有酸性离子；与之相对的碱性土壤中含有碱性离子，这些酸/碱离子对矿物长期造成化学侵蚀；与此同时，矿物因地质营力搬运等作用被机械剥蚀形成碎屑，矿物晶层的铝/镁和硅等原子从微量到少量，再到部分直至完全溶出，导致晶层畸变、断裂而向无定型态转变(guo j，2019；anbuselvan n，2020)。由此可见，土壤中的部分铝离子本身源自于粘土矿物的侵蚀溶出，如能采用一定的手段将铝离子重新固化于矿物结构内，并能进一步高稳定性固定，对修复铝离子流失土壤和作为铝离子流失抑制剂以较少铝毒方面具有重要的价值，对促进生态文明建设具有积极意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服材料固化铝离子稳定性问题，提供一种富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子的方法。本发明基于富缺陷粘土矿物的原子配位不匹配性，同时利用晶格固化和生物炭封堵孔道固化铝离子，以及材料中生物炭组分对化学侵蚀的缓冲作用，从而有效避免了被材料固化的铝离子发生脱出和迁移，具有显著的进步性。本发明对铝离子的固化稳定性强，可抑制和补偿铝流失，在用作土壤改良剂或铝流失抑制剂方向具有广阔的应用前景。
6.具体步骤如下：
7.(1)按照5～10％矿浆浓度称取粘土矿物和去离子水，在室温下混合并机械搅拌30～60min，然后超声处理10～20min获得粘土矿物分散体。
8.(2)取2～3份体积步骤(1)获得的粘土矿物分散体，移入球磨罐中，然后加入1～2份体积、浓度为1.0～2.0mol/l的硫酸并搅拌均匀，然后用行星式球磨机于300～400rpm转速、每0.5h变更旋转方向球磨2～4h，结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物。
9.(3)按照质量比为1:4～5称量生物质和上述(2)制备的富缺陷粘土矿物，然后加入到一定量去离子水中(固液质量比为1:10)，再将其转移至反应釜并于200～220℃水热处理8～12h，反应结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物/生物炭材料。
10.(4)将步骤(3)制备富缺陷粘土矿物/生物炭材料浸渍于0.1～0.2mol/l的铝离子溶液，搅拌8～12h后移入反应釜并于250℃温度下固化铝离子48～96h，结束后经离心、干燥即完成利用富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子。
11.以上所述粘土矿物是指蒙脱石和绿脱石中的一种或几种；生物质来源为从木浆、甘蔗渣或棉花中提取获得的以纤维素为主要组成的有机物质；另外，本发明充分利用了矿物晶格固化和生物炭封堵矿物由内至外的孔道，以及材料中生物炭组分对化学侵蚀的缓冲作用，实现了高稳定性固化铝离子。
附图说明
12.图1为本发明实施例1制得的富缺陷粘土矿物/生物炭材料的扫描电子显微镜图片。从图中可以看出无规则蒙脱石片层在固化铝离子后，逐渐转变为假六方片状结构，在其周围团聚有一定量的生物炭。由此表明该材料中蒙脱石组分向高岭石结构转变；周围的生物炭组分可以保护矿物以削弱其被环境物质所侵蚀。
具体实施方式
13.下面的实施例将进一步说明本发明，但对本发明没有限制。
14.实施例1：
15.(1)称量100.0g蒙脱石并加入1000.0ml去离子水，在室温下混合并机械搅拌60min，然后超声处理20min获得粘土矿物分散体。
16.(2)取40.0ml上述粘土矿物分散体，移入球磨罐中，然后加入20.0ml浓度为2.0mol/l的硫酸并搅拌均匀，然后用行星式球磨机(大球约直径10.1mm、小球直径5.6mm的氧化锆球磨介质，大/小球数量比为1：6)于400rpm转速、每0.5h变更旋转方向球磨4h，结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物。
17.(3)称量0.5g生物质和2.5g上述富缺陷粘土矿物，然后加入到30ml水中，再将其转移至反应釜并于220℃水热处理12h，反应结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物/生物炭材料。
18.(4)将制备富缺陷粘土矿物/生物炭材料浸渍于0.2mol/l的铝离子溶液，搅拌12h后移入反应釜并于250℃温度下固化铝离子96h，结束后经离心、干燥即完成利用富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子。
19.取本实施例0.1g已固化铝离子的富缺陷粘土矿物/生物炭材料置于100ml去离子水中，磁力搅拌2h；采用电感耦合等离子体发射光谱仪检测该水体中铝离子浓度为0.16mg/l，表明了该方案制备的富缺陷粘土矿物/生物炭材料实现了铝离子高稳定性固化。
20.实施例2：
21.(1)称量60.0g蒙脱石并加入1000.0ml去离子水，在室温下混合并机械搅拌30min，然后超声处理10min获得粘土矿物分散体。
22.(2)取60.0ml上述粘土矿物分散体，移入球磨罐中，然后加入20.0ml浓度为1.0mol/l的硫酸并搅拌均匀，然后用行星式球磨机(大球约直径10.1mm、小球直径5.6mm的氧化锆球磨介质，大/小球数量比为1：6)于300rpm转速、每0.5h变更旋转方向球磨4h，结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物。
23.(3)称量0.5g生物质和2.0g上述富缺陷粘土矿物，然后加入到25ml水中，再将其转移至反应釜并于200℃水热处理8h，反应结束后经干燥获得富缺陷粘土矿物/生物炭材料。
24.(4)将制备富缺陷粘土矿物/生物炭材料浸渍于0.1mol/l的铝离子溶液，搅拌8h后移入反应釜并于250℃温度下固化铝离子48h，结束后经离心、干燥即完成利用富缺陷粘土矿物/生物炭材料固化铝离子。
25.取本实施例0.1g已固化铝离子的富缺陷粘土矿物/生物炭材料置于100ml去离子水中，搅拌2h以溶出铝离子；采用电感耦合等离子体发射光谱仪检测该水体中铝离子浓度为0.18mg/l，表明了该方案制备的富缺陷粘土矿物/生物炭材料实现了铝离子高稳定性固化。