富硒煤矸石活化技术及煤矸石硒肥高效利用研究

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富硒煤矸石活化技术及煤矸石硒肥高效利用研究

摘要: 【目的】研究固体废矿富硒煤矸石制备硒肥的资源化利用技术。【方法】以世界硒都恩施的煤矸石废矿为原料，分别进行了活化剂 (弱碱性物质 Na2CO3)、活化时间、活化温度和料液比的单因素 6 水平试验，测定硒活化率，每个因素筛选出 3 个水平，采用响应面优化方法进行计算，最终确定富硒煤矸石中硒的活化工艺参数。采用 IR 光谱、TG 热重法对煤矸石活化前后官能团键合、热效应进行表征分析。用活化煤矸石硒肥与养殖场粪肥以 1∶1、2∶1、3∶1、和 4∶1 的比例分别混合后发酵一个月，制备 4 种活化煤矸石硒有机肥 (简称硒有机肥)，以煤矸石硒肥和发酵粪肥作两个对照，以大蒜为试材进行了田间试验。收获后测定了土壤和大蒜鳞茎中的总硒、有机硒含量。【结果】单因素试验确定的 4 个因素用于响应面优化的范围，活化剂 Na2CO3 的浓度为10%、20% 和 30%；活化时间为 2.5、3.5、4.5 h；活化温度为 75℃、85℃ 和 95℃；料液比 (g/mL) 为 1∶5、1∶10、1∶15。经过响应面优化计算，当原料粒径为 0.038 mm 时，最优工艺条件为活化剂的浓度 22%、活化时间 3.9 h、料液比 1:9 g/mL、活化温度 85℃。应用此参数活化的煤矸石固体硒肥 pH 约为 7.6、最大活化效率为81.24%。IR 光谱曲线显示，Na2CO3 的加入破坏了煤矸石中硒与其它的金属、非金属等元素间的弱作用力及网络原子原有的结晶态，使得硒基团解脱束缚，成为活性硒。由 TG (thermal gravimetric) 及 DTG (derivativethermogravimetry) 曲线可知，煤矸石活化前后的热稳定性有较大变化。活化前样品的 DTG 曲线出现两个峰，而活化后只在 100℃ 前出现一个峰，且失重情况较活化前弱。因此，活化后的煤矸石硒肥热稳定性更好。活化后煤矸石的硒含量为 170.82 mg/kg，制备的 4 个比例煤矸石硒有机肥的硒含量依次为 85.41、113.88、128.05、136.66 mg/kg。在等硒量试验下，5 个处理大蒜鳞茎中硒的含量依次为 1.033、1.306、1.480、1.382、1.355μg/g，均显著高于未施硒肥对照组的 0.005 μg/g (P < 0.05)。硒肥处理大蒜鳞茎中有机硒比例均在 99% 以上，高于未施硒肥对照组的 60%。硒有机肥处理大蒜吸收硒的效果优于煤矸石硒肥，并以煤矸石固硒肥与家禽粪2∶1 比例混合配置的煤矸石硒有机肥的吸收硒效果最优。