專利名稱：一種利用氧化鐵納米材料高效便捷治理面源污染的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用氧化鐵納米材料高效便捷治理面源污染的 方法。具體的說，是利用無毒、易于生物降解且廉價的高分子聚合物 和普通的鐵鹽為原料，通過簡便的合成技術，制得納米鐵材料的方法。 可將這種材料滲透分散在土壤的亞表層中，形成一種含有氧化鐵納米 材料的土中墻，吸附流經(jīng)土中墻的含磷水體中的磷，以此達到治理由 農(nóng)藥化肥過量使用、人畜糞尿和生活污水排放等引起的磷素面源污染 問題，具有高效、便捷以及適用范圍廣等特點。本發(fā)明屬于環(huán)境污染 控制領域。
背景技術：
近10多年來，由于經(jīng)濟發(fā)展迅猛、人口的激增以及湖泊利用強
度加大，而湖泊的水污染控制和保護措施滯后，使得湖泊污染，特別
是富營養(yǎng)化成為一個嚴重的環(huán)境問題。國家對35個主要湖泊的調査 表明，每天有5.646X10st廢水入湖，占全國排放量的6.6%。但是 隨著點源污染治理力度的加強，面源污染已成為我國湖泊富營養(yǎng)化的 主要影響因素。以我國富營養(yǎng)化較為嚴重的太湖、滇池和巢湖為例， 面源污染(包括人畜和生活污水)己經(jīng)成為入湖全氮和全磷負荷的主 要來源，其中全磷的貢獻率分別為30%、 41%和73%。目前，我國 已經(jīng)成為世界上最大的化肥生產(chǎn)國和消費國。2004年我國化肥用量
為4629萬t (其中氮(N)、磷(P205)、鉀(K20)的用量分別為2583 萬t、 1458萬t和588萬t)，超過世界總用量的1/3，居世界之首。 按總播面積計算，全國平均磷肥施用量達94kg/hm2。據(jù)統(tǒng)計，2005 年我國有機磷殺蟲劑仍占農(nóng)藥總用量的39.4%，占殺蟲劑總用量的 70.5%。長期、大量和不合理的使用農(nóng)藥化肥必然導致面源污染的發(fā) 生和加劇。2004年我國畜禽糞便產(chǎn)生量達2715億t，其中總氮和總 磷的產(chǎn)生量分別為1530萬t和640萬t。根據(jù)當前城鎮(zhèn)人糞尿和規(guī) ?；B(yǎng)殖場的牲畜糞尿的收集比例和堆制、儲運過程中的損失程度等 情況計算、未被利用而直接進入環(huán)境的有機肥料N和P"5量分別達到 1089萬t和201萬t，其中絕大部分氮磷直接進入地表水。人畜排泄 物的直接進入地表水是當前一些人口密集、集約養(yǎng)殖場發(fā)達地區(qū)的地 表水富營養(yǎng)化的主要原因。今年來對太湖流域農(nóng)村和農(nóng)業(yè)面源污染的 研究表明，畜禽排泄物對水體氮素和磷素面源污染的相對貢獻率分別 為28%和44%，人體排泄物分別占31%和24%，已成為引起水體富 營養(yǎng)化氮、磷污染物的主要來源。
目前已有的治理面源污染的方法和技術主要有多水塘系統(tǒng)，緩沖 帶，濕地系統(tǒng)和可滲透反應墻。多水塘系統(tǒng)的概念首先由尹澄清(1989
年)提出，它是一類特殊的人工水塘濕地生態(tài)系統(tǒng)，是以水塘為點， 溝渠為線的流域系統(tǒng)。多水塘系統(tǒng)在滯留徑流、循環(huán)利用水和營養(yǎng)物 質、提高水資源利用率、增加生物的多樣性有很好的效果。然而，滯 留池效率受入水和降雨的時空影響較大，功能較單一，對系統(tǒng)中植物 的種類有一定要求，占用一定土地資源。緩沖帶可以防止污染源與河，流、湖泊貫通，減少侵蝕遷移的土壤進入水體，截持土壤侵蝕的養(yǎng)分 污染物，改善水質，但是也要占用一定土地資源，需要不定期的人工 管理和養(yǎng)護，其效果持久性有待考證。濕地作為陸生系統(tǒng)和水生系統(tǒng) 之間的過渡帶，通過土壤吸附、植被吸收、生物降解等一系列作用， 減少進入水體的氮、磷含量。同時存在的缺點是，構建成本高，地域 選擇性強，受季節(jié)變化影響大。可滲透反應墻技術因操作簡單，凈化 效率高，補給地下水資源，而得到了越來越多的應用，同時其地表的 植被可豐富綠化層次，美化環(huán)境，為污水資源化利用提供了一種有效 方法。然而，這種技術建設成本高，容易發(fā)生下滲通道堵塞問題。
由于面源污染的時空分布、發(fā)生時間和量的不確定性，應用上述 技術為其建設專門的處理設施顯然是不經(jīng)濟的，需要花費大量的時 間，占用一定的土地資源，而且這些技術主要針對地表徑流中營養(yǎng)鹽 的流失，然而，滲透到地表以下的營養(yǎng)鹽，可以隨著壤中流(土壤中 的徑流)最終同樣進入湖泊、河流和水庫。對于土壤中營養(yǎng)鹽的流失， 目前并沒有有效的治理技術和方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提出應用納米材料治 理磷素面源污染的方法。具體的說，在自然重力作用下，將納米鐵材 料滲透到土壤中，改變土壤的結構和成分，使其具有很強吸附磷素的 特性。因此，當含磷的地表徑流通過處理過的土壤，由于土壤的吸附 作用可以將磷素保留在土壤中，防止其進入湖泊、河流和水庫，引起
，水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。本發(fā)明具有材料制備簡單、成本低廉、操作方 便、適用范圍廣、不必占據(jù)特定的土地空間修建一定的設施等優(yōu)點。
本發(fā)明所述的納米材料的制備技術，其特征在于，采用一種天然 的高分子聚合物作為分散劑，普通的鐵鹽作為原料，應用氧化還原法 制備納米級氧化鐵材料。
本發(fā)明所述的納米材料的制備技術，其特征在于，通過調節(jié)分散 劑的用量，可以控制納米粒子的粒徑大小，以及納米材料的表面電荷。
本發(fā)明所述的分散劑，其特征在于，所述的天然高分子聚合物為 殼聚糖及其衍生物、甲殼素及其衍生物、羧甲基淀粉、其他變性淀粉、 羧甲基纖維素及其它纖維素衍生物、瓜爾膠及其衍生物、黃原膠及其 衍生物、海棗酸及其衍生物中的一種或幾種。
本發(fā)明提供的納米材料，其特征在于，在自然重力下，不同粒徑 大小和表面電荷的納米材料可以滲透到不同深度的土壤中。
本發(fā)明提供的納米材料，其特征在于，納米粒子為三氧化二鐵、
四氧化三鐵和羥基氧化鐵中的一種或幾種，粒徑在10 100nm。
本發(fā)明提供的納米材料，其特征在于，納米材料穩(wěn)定性好，保持
幾個月，納米粒子的粒徑不發(fā)生變化。
本發(fā)明所述的應用納米材料治理磷素面源污染的方法，其特征在
于，納米材料為懸濁液，無需其他處理和輔助設施，就可以直接應用。 本發(fā)明所述的應用納米材料治理磷素面源污染的方法，其特征在
于，所述的納米材料用量為0.01 lg/L。


圖l是納米鐵材料與普通鐵材料在土壤中的滲透性能比較
圖2是土壤改性前后固磷的效果比較
具體實施例方式
下面通過具體實施例對本發(fā)明所述的技術和方法加以詳細說明。 實施例l.納米鐵材料的制備
取100ml、 lg/l的FeCL'4H20水溶液(以Fe計)逐滴添加到100ml、 0.12% (W/V)的分散劑溶液中，持續(xù)振蕩30分鐘，使Fe2+與分散劑完 全絡合。然后向溶液中逐滴加入O. lmol/l的NaOH溶液，當溶液pH值達 到ll時停止添加，繼續(xù)振蕩l小時，即可得到本發(fā)明所述的納米材料。 實施例2.納米鐵材料與普通鐵材料在土壤中的滲透性能比較
取6g的土樣裝入玻璃管中，土柱高10cm。向玻璃管中分別注入普 通鐵懸濁液和納米鐵懸濁液各15ml，濃度100mg/1 (以Fe計)。收集流 過土柱的每lml溢出液，測定鐵的濃度。見圖l。 實施例3. 土壤改性前后固磷的效果比較
取O. 5mg/L的納米鐵懸濁液與6g原始土壤混合，然后將其裝入玻 璃管中，再取6g原始土壤裝入另一玻璃管中做對照，之后將10ml， 0.5mg/l的磷溶液加入到玻璃管內土柱的頂部，經(jīng)過一段時間，收集 流過土柱的溢出液，測定磷濃度。見圖2。
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權利要求
1. 本發(fā)明提供一種利用氧化鐵納米材料高效便捷治理面源污染的方法，具體的說，就是采用天然的高分子聚合物作為分散劑，普通的鐵鹽作為原料，應用氧化還原法制備納米級氧化鐵材料，將這種材料滲透分散在土壤的亞表層中，形成一種含有氧化鐵納米材料的土中墻，因此流經(jīng)土中墻的含磷水體中的磷將吸附在墻體中，從而達到治理磷素面源污染的方法。
2. 根據(jù)權利要求1所述的分散劑，其特征在于，所述的天然高分子聚合物為殼聚糖及其衍生物、甲殼素及其衍生物、羧甲基淀粉、 其他變性淀粉、羧甲基纖維素及其它纖維素衍生物、瓜爾膠及其 衍生物、黃原膠及其衍生物、海棗酸及其衍生物中的一種或幾種。
3. 根據(jù)權利要求l所述的納米材料，其特征在于，通過調節(jié)分散劑的用量，可以控制納米粒子的粒徑大小，以及納米材料的表面電荷。
4. 根據(jù)權利要求l所述的納米材料，其特征在于，在自然重力下，不 同粒徑大小和表面電荷的納米材料可以滲透到不同深度的土壤中。
5. 根據(jù)權利要求l所述的納米材料，其特征在于，納米粒子為三氧化二鐵、四氧化三鐵和羥基氧化鐵中的一種或幾種，粒徑在10 100nm。
6. 根據(jù)權利要求l所述的納米材料，其特征在于，納米材料穩(wěn)定性好，保持幾個月，納米粒子的粒徑不發(fā)生變化。
7. 根據(jù)權利要求1所述的治理面源污染的方法，其特征在于，納米材料為懸濁液，無需其他處理和輔助設施，就可以直接應用。
8.根據(jù)權利要求1所述的治理面源污染的方法，其特征在于，所述的納米材料用量為O. 01 lg/L。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用氧化鐵納米材料高效便捷治理面源污染的方法。具體的說，是利用無毒、易于生物降解且廉價的高分子聚合物和普通的鐵鹽為原料，通過簡便的合成技術，制得納米鐵材料的方法?？蓪⑦@種材料滲透分散在土壤的亞表層中，形成一種含有氧化鐵納米材料的土中墻，吸附流經(jīng)土中墻的含磷水體中的磷，以此達到治理由農(nóng)藥化肥過量使用、人畜糞尿和生活污水排放等引起的磷素面源污染問題，具有高效、便捷以及適用范圍廣等特點。本發(fā)明屬于環(huán)境污染控制領域。
文檔編號C02F1/28GK101386430SQ20081022431
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權日2008年10月17日
發(fā)明者壘 李, 綱 潘 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心