粘土矿浸出渣硅肥溶出动力学研究

2015-05-25 00:29曹慧君徐祥斌
化工设计通讯 2015年5期
关键词:粘土矿硅肥国家标准

曹慧君,徐祥斌

(1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程系,湖南株洲 412000;2.中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083)

化工教学与研究

粘土矿浸出渣硅肥溶出动力学研究

曹慧君1,2,徐祥斌1

(1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程系,湖南株洲 412000;2.中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083)

对粘土矿微生物浸出渣进行了硅肥指标测试,结果有效硅含量20.63%、水分1.49%、细度95%通过250μm筛,达到农业对硅肥的要求,且有害元素含量低于国家标准限量。该浸出渣中有效硅、Cu、Zn、Pb、Cd的溶出动力学实验表明,肥料在88天内能够稳定提供有效硅、有益元素Cu和Zn,有害元素Pb和Cd的含量国家标准限量且岁时间的延长逐渐减少,不会危害作物。

粘土矿;微生物浸出渣;硅肥;溶出动力学

粘土矿微生物浸出渣是笔者进行粘土矿微生物浸铝研究后的粉末状废渣[1]。因为粘土矿被浸出前已经过粉碎、过180目筛和高温焙烧等工艺过程,高岭石已转变为偏高岭石,铝和铁大部分被浸出,所以浸出渣中含有大量已被活化的硅元素,主要以原硅酸盐存在,若能被植物吸收,将有可能变浸出渣为有价的含微量元素的硅肥[2]。笔者对其进行p H值、有效硅、水分、粒度、有害重金属元素的分析,发现其各指标含量符合国家硅肥的标准,可以用来做硅肥,既综合利用了浸出渣,保护了环境,实现了清洁生产,又能使作物增产,还可改良土壤,同时浸出渣中含有较多的微量元素如K、Ca、Mg、Cu等,可以发挥综合肥效[3-4]。用模拟土壤实验的方法,对浸出渣中有效硅、Cd、Pb、Cu、Zn的溶出动力学进行了研究,发现其可作长效肥施用。

1 浸出渣性质测试

浸出渣样品呈灰白色粉状,为无定形结构的多孔膨松体。p H值平均为6.69,呈微酸性,与土壤接近。采用重量法测有效硅含量,采用二乙基硫代氨基甲酸银分光光度法测定砷含量,其余中量和微量金属元素采用火焰原子吸收分光光度计测定,采用激光粒度仪测粒度范围,采用空气干燥法测其水分。主要指标与国家硅肥标准相比对,结果如表1,表明其各指标含量符合国家硅肥的标准,证明粘土矿微生物浸出渣完全有作为硅肥的潜力。

表1 粘土矿浸出渣和国家标准比对Table 1 Comparison of the clay bioleaching slag silicon fertilizer with national standard

2 浸出渣硅肥溶出动力学试验

2.1 选择研究对象

浸出渣除含高含量有效硅外,还含有多种中量和微量的元素如K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、P、Fe等,这些都是对植物有益的元素。为研究浸出渣硅肥的长效性,选择两种典型的有益元素Cu、Zn和两种有害元素Cd、Pb做溶出动力学实验。因为硅是主量元素,当然要考察有效硅溶出动力学。

2.2 实验方法

事先用有机玻璃做一个模拟土壤实验的装置。上部圆桶状,为防溶出液流淌存死角,下部设计成截锥台状。该装置上部直径6 cm,高30 cm,下部截锥高2 cm,倒锥角为5%,锥台底部开有若干1 mm小孔作为溶出液流出通道,下接束口收集瓶。先在装置内底部铺上一层河砂作为土壤的支撑和过滤层,约为15 g,再装入浸出渣硅肥15 g与土样(株洲市北郊一稻田土样)15 g混合的施肥土壤。上面再加15 g河砂覆盖施肥土壤以防淋水时扰乱土层。向装置内紧邻河砂表面缓缓加入30 mL去离子水,使施肥土壤中水分接近饱和。把装置放入25℃恒温箱里。第一周每隔一天淋滤一次,每次淋30 m L,48 h后取收集到的溶出液样品进行分析,前8 d共取四次样品。以后每隔五天淋滤一次,满5 d取溶出液样品进行分析。每次换溶出液收集瓶时,都要及时分析换下来的收集瓶内溶出液的有效硅、Cu、Zn、Cd、Pb含量。以时间为纵坐标,各物质溶出对应时间的浓度为纵坐标,建立粘土矿微生物浸出渣硅肥溶出动力学曲线[5]。

2.2.1 有效硅溶出动力学曲线

有效硅溶出分析数据如表2所示。

表2 有效硅含量随时间变化表Table 2 Effective silicon content changing with time

图1 有效硅溶出动力学曲线Fig.1 The dissolution kinetics curve of effective silicon

图1显示,在第一周内,有效硅含量维持高浓度,说明该浸出渣硅肥中有效硅溶出较快而且肥效释放稳定,在这段时间内肥料中的有效硅已经大量的溶解,并随淋滤液流出。从一周到一个月的过程,有效硅溶出浓度有一个很快的减少过程,说明肥料中有效硅高浓度不能维持太长时间,一个月内会很快降下来。从一个月到三个月的溶出过程中,有效硅曲线基本呈直线趋势,溶出基本稳定,表明肥料能够长效提供硅。

2.2.2 Cu溶出动力学曲线

Cu溶出分析数据如表3所示。

表3 Cu含量随时间变化表Table 3 Cu content changing with time

图2 Cu溶出动力学曲线Fig.2 The dissolution kinetics curve of Cu

图2显示Cu在第一周内溶出浓度很快降低,说明施肥初期Cu会迅速释放,然后一周后其释放速度趋于放缓,45 d到90 d里其含量已经相当稳定,证明该肥料提供有益元素Cu具有长效性。

2.2.3 Zn溶出动力学曲线

Zn溶出分析数据如表4所示。

表4 Zn含量随时间变化表Table 4 Zn content changing with time

由图3可知,Zn在第一周内溶出较快,约10 d后,Zn释放渐缓,75 d后浓度稳定,所以此肥料中Zn的肥效也比较长久。

图3 Zn溶出动力学曲线Fig.3 The dissolution kinetics curve of Zn

2.2.4 Pb溶出动力学曲线

Pb溶出分析数据如表5所示。

表5 Pb含量随时间变化表Table 5 Pb content changing with time

图4 Pb溶出动力学曲线Fig.4 The dissolution kinetics curve of Pb

从表5中可以看出溶出液中Pb的含量远低于国家标准限量值。而且图4显示,Pb的浓度一直呈递减趋势,说明该肥料中不会对土壤和作物带来Pb污染。

2.2.5 Cd溶出动力学曲线

Cd溶出分析数据如表6所示。

表6 Cd含量随时间变化表Table 6 Cd content changing with time

图5 Cd溶出动力学曲线Fig.5 The dissolution kinetics curve of Cd

图5显示有害元素Cd的浓度很低,远低于国家标准限量值,而且其含量在第一周内迅速降低,而后随时间的推移,虽然其释放放缓但仍呈递减趋势,说明该肥料不会对土壤和作物带来Cd污染。

3 结 论

1)通过对粘土矿微生物浸出渣的性质进行硅肥指标测试,其有效硅含量20.63%、水分1.49%、细度95%通过250μm筛,达到农业对硅肥的要求,且有害元素含量低于国家标准限量,表明粘土矿微生物浸出渣有作为硅肥的潜力。

2)通过对该粘土矿微生物浸出渣硅肥中有效硅、Cu、Zn、Pb、Cd做溶出动力学实验,发现有效硅及对作物有益元素Cu和Zn含量在第一周释放较快,随后变缓,到达一定时间后释放量达到稳定。对土壤和作物有害元素Pb和Cd的初始含量低于国家标准限量值,且含量随时间的推移都逐渐减少,因此不会对作物产生危害。

[1]曹慧君,徐祥斌,周吉奎.低品位含铝矿物焙烧转型浸出铝试验研究[J].轻金属,2015,(7):12-14.

[2]Vladimir Matychenkov,Xiao WEI,Daiping LIU,etc.Theory,practice,prospection of Si fertilizer[J].Agricultural Science&Technology,2013,14(3):498-502,506.

[3]张锐,张万忠,杨建宇.微波技术在粉煤灰制备硅肥工艺中的应用探索[J].辽宁化工,2013,42(7):858-860.

[4]侯晨涛,王生全,谢宵斐等.温度对煤矸石中提取有效硅的影响研[J].煤炭转化,2008,31(2):65-67.

[5]谢宵斐.煤矸石制作硅肥活化工艺研究[D].西安:西安科技大学,2008.

Dissolution Kinetics of Silicon Fertilizer with Clay Leaching Slag

Cao Hui-jun1,2,Xu Xiang-bin1
(1.Department of Pharmaceutical and bioengineering,Hunan Chemical Vocational Technology College,Hunan Zhuzhou 412000 China;2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Hunan Changsha 410083 China)

The clay bioleaching slag has been investigated corresponding on silicon fertilizer indicators.The test of composition and hazardous elements verified that the fertilizer produced by clay bioleaching was in accordance with national standards for silicon fertilizer,which was supported by effective silicon concentration 20.63%,moisture 1.49,particle size 95%minus 250μm screen,preceding the standard and hazardous elements lower than the standard limitation.The dissolution kinetics of effective silicon,Cu,Zn,Pb and Cd also have been analyzed,showing that the stable fertilizer response of effective silicon,Cu and Zn during three months and gradually reducing concentration of Pb and Cd with non-toxic to the crops,which indicated that the bioleaching slag of clay could be used as long-term silicon fertilizer.

clay;bioleaching slag;silicon fertilizer;dissolution kinetics

X752

B

1003-6490(2015)05-0041-05

2015-10-16

曹慧君(1982-),女,河南商丘人,讲师,主要从事化工教学工作。

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