粘土礦浸出渣硅肥溶出動力學研究

曹慧君，徐祥斌

（1．湖南化工職業技術學院制藥與生物工程系，湖南株洲 412000；2．中南大學化學化工學院，湖南長沙 410083）

化工教學與研究

粘土礦浸出渣硅肥溶出動力學研究

曹慧君1，2，徐祥斌1

（1．湖南化工職業技術學院制藥與生物工程系，湖南株洲 412000；2．中南大學化學化工學院，湖南長沙 410083）

對粘土礦微生物浸出渣進行了硅肥指標測試，結果有效硅含量20．63%、水分1．49%、細度95%通過250μm篩，達到農業對硅肥的要求，且有害元素含量低于國家標準限量。該浸出渣中有效硅、Cu、Zn、Pb、Cd的溶出動力學實驗表明，肥料在88天內能夠穩定提供有效硅、有益元素Cu和Zn，有害元素Pb和Cd的含量國家標準限量且歲時間的延長逐漸減少，不會危害作物。

粘土礦；微生物浸出渣；硅肥；溶出動力學

粘土礦微生物浸出渣是筆者進行粘土礦微生物浸鋁研究后的粉末狀廢渣［1］。因為粘土礦被浸出前已經過粉碎、過180目篩和高溫焙燒等工藝過程，高嶺石已轉變為偏高嶺石，鋁和鐵大部分被浸出，所以浸出渣中含有大量已被活化的硅元素，主要以原硅酸鹽存在，若能被植物吸收，將有可能變浸出渣為有價的含微量元素的硅肥［2］。筆者對其進行p H值、有效硅、水分、粒度、有害重金屬元素的分析，發現其各指標含量符合國家硅肥的標準，可以用來做硅肥，既綜合利用了浸出渣，保護了環境，實現了清潔生產，又能使作物增產，還可改良土壤，同時浸出渣中含有較多的微量元素如K、Ca、Mg、Cu等，可以發揮綜合肥效［3-4］。用模擬土壤實驗的方法，對浸出渣中有效硅、Cd、Pb、Cu、Zn的溶出動力學進行了研究，發現其可作長效肥施用。

1 浸出渣性質測試

浸出渣樣品呈灰白色粉狀，為無定形結構的多孔膨松體。p H值平均為6．69，呈微酸性，與土壤接近。采用重量法測有效硅含量，采用二乙基硫代氨基甲酸銀分光光度法測定砷含量，其余中量和微量金屬元素采用火焰原子吸收分光光度計測定，采用激光粒度儀測粒度范圍，采用空氣干燥法測其水分。主要指標與國家硅肥標準相比對，結果如表1，表明其各指標含量符合國家硅肥的標準，證明粘土礦微生物浸出渣完全有作為硅肥的潛力。

表1 粘土礦浸出渣和國家標準比對Table 1 Comparison of the clay bioleaching slag silicon fertilizer with national standard

2 浸出渣硅肥溶出動力學試驗

2．1 選擇研究對象

浸出渣除含高含量有效硅外，還含有多種中量和微量的元素如K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、P、Fe等，這些都是對植物有益的元素。為研究浸出渣硅肥的長效性，選擇兩種典型的有益元素Cu、Zn和兩種有害元素Cd、Pb做溶出動力學實驗。因為硅是主量元素，當然要考察有效硅溶出動力學。

2．2 實驗方法

事先用有機玻璃做一個模擬土壤實驗的裝置。上部圓桶狀，為防溶出液流淌存死角，下部設計成截錐臺狀。該裝置上部直徑6 cm，高30 cm，下部截錐高2 cm，倒錐角為5%，錐臺底部開有若干1 mm小孔作為溶出液流出通道，下接束口收集瓶。先在裝置內底部鋪上一層河砂作為土壤的支撐和過濾層，約為15 g，再裝入浸出渣硅肥15 g與土樣（株洲市北郊一稻田土樣）15 g混合的施肥土壤。上面再加15 g河砂覆蓋施肥土壤以防淋水時擾亂土層。向裝置內緊鄰河砂表面緩緩加入30 mL去離子水，使施肥土壤中水分接近飽和。把裝置放入25℃恒溫箱里。第一周每隔一天淋濾一次，每次淋30 m L，48 h后取收集到的溶出液樣品進行分析，前8 d共取四次樣品。以后每隔五天淋濾一次，滿5 d取溶出液樣品進行分析。每次換溶出液收集瓶時，都要及時分析換下來的收集瓶內溶出液的有效硅、Cu、Zn、Cd、Pb含量。以時間為縱坐標，各物質溶出對應時間的濃度為縱坐標，建立粘土礦微生物浸出渣硅肥溶出動力學曲線［5］。

2．2．1 有效硅溶出動力學曲線

有效硅溶出分析數據如表2所示。

表2 有效硅含量隨時間變化表Table 2 Effective silicon content changing with time

圖1 有效硅溶出動力學曲線Fig．1 The dissolution kinetics curve of effective silicon

圖1顯示，在第一周內，有效硅含量維持高濃度，說明該浸出渣硅肥中有效硅溶出較快而且肥效釋放穩定，在這段時間內肥料中的有效硅已經大量的溶解，并隨淋濾液流出。從一周到一個月的過程，有效硅溶出濃度有一個很快的減少過程，說明肥料中有效硅高濃度不能維持太長時間，一個月內會很快降下來。從一個月到三個月的溶出過程中，有效硅曲線基本呈直線趨勢，溶出基本穩定，表明肥料能夠長效提供硅。

2．2．2 Cu溶出動力學曲線

Cu溶出分析數據如表3所示。

表3 Cu含量隨時間變化表Table 3 Cu content changing with time

圖2 Cu溶出動力學曲線Fig．2 The dissolution kinetics curve of Cu

圖2顯示Cu在第一周內溶出濃度很快降低，說明施肥初期Cu會迅速釋放，然后一周后其釋放速度趨于放緩，45 d到90 d里其含量已經相當穩定，證明該肥料提供有益元素Cu具有長效性。

2．2．3 Zn溶出動力學曲線

Zn溶出分析數據如表4所示。

表4 Zn含量隨時間變化表Table 4 Zn content changing with time

由圖3可知，Zn在第一周內溶出較快，約10 d后，Zn釋放漸緩，75 d后濃度穩定，所以此肥料中Zn的肥效也比較長久。

圖3 Zn溶出動力學曲線Fig．3 The dissolution kinetics curve of Zn

2．2．4 Pb溶出動力學曲線

Pb溶出分析數據如表5所示。

表5 Pb含量隨時間變化表Table 5 Pb content changing with time

圖4 Pb溶出動力學曲線Fig．4 The dissolution kinetics curve of Pb

從表5中可以看出溶出液中Pb的含量遠低于國家標準限量值。而且圖4顯示，Pb的濃度一直呈遞減趨勢，說明該肥料中不會對土壤和作物帶來Pb污染。

2．2．5 Cd溶出動力學曲線

Cd溶出分析數據如表6所示。

表6 Cd含量隨時間變化表Table 6 Cd content changing with time

圖5 Cd溶出動力學曲線Fig．5 The dissolution kinetics curve of Cd

圖5顯示有害元素Cd的濃度很低，遠低于國家標準限量值，而且其含量在第一周內迅速降低，而后隨時間的推移，雖然其釋放放緩但仍呈遞減趨勢，說明該肥料不會對土壤和作物帶來Cd污染。

3 結 論

1）通過對粘土礦微生物浸出渣的性質進行硅肥指標測試，其有效硅含量20．63%、水分1．49%、細度95%通過250μm篩，達到農業對硅肥的要求，且有害元素含量低于國家標準限量，表明粘土礦微生物浸出渣有作為硅肥的潛力。

2）通過對該粘土礦微生物浸出渣硅肥中有效硅、Cu、Zn、Pb、Cd做溶出動力學實驗，發現有效硅及對作物有益元素Cu和Zn含量在第一周釋放較快，隨后變緩，到達一定時間后釋放量達到穩定。對土壤和作物有害元素Pb和Cd的初始含量低于國家標準限量值，且含量隨時間的推移都逐漸減少，因此不會對作物產生危害。

［1］曹慧君，徐祥斌，周吉奎．低品位含鋁礦物焙燒轉型浸出鋁試驗研究［J］．輕金屬，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］張銳，張萬忠，楊建宇．微波技術在粉煤灰制備硅肥工藝中的應用探索［J］．遼寧化工，2013，42（7）：858－860．

［4］侯晨濤，王生全，謝宵斐等．溫度對煤矸石中提取有效硅的影響研［J］．煤炭轉化，2008，31（2）：65－67．

［5］謝宵斐．煤矸石制作硅肥活化工藝研究［D］．西安：西安科技大學，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，講師，主要從事化工教學工作。