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一种晶格强吸附的土壤重金属稳定剂的产业化

本项目研发生产的治理土壤重金属污染的稳定剂产品具有持久降低土壤中生物可利用态重金属离子含量的功能,可改善土壤结构,提高肥料利用率和同时降低农产品中重金属含量的功能。

#生物医药
产业化

技术详情

项目简介

更新) 固化/稳定化技术以水泥石灰为代表,工艺简单、修复快、费用低,是重要的土壤重金属污染修复方法。但是该技术存在长期稳定性差、重金属易再次溶出、处理后的土壤无法资源化利用以及和种植过程无法协同的问题。 项目团队在土壤修复、生物质功能材料方面积累了近20年的研究经验和技术成果。本技术使用独有的软化学工艺将精选的多酚类复合原料处理成层嵌晶格,能快速有效的吸附重金属,并由嵌入-接枝工艺得到的特定添加剂进行封堵,具有吸附快速、长期稳定、重金属不再析出、成本低廉的优点。其中的活性官能团能够改善土壤结构、提高肥料利用率。相关技术已申请了5项专利。 产品中试后性能稳定,进行了市场开发:金友立农业公司试用本品后种植效率提高近10%,土壤明显改善,双方达成合作协议;与行业知名的上化院土壤修复中心、农业生态中心、沭阳利民公司进行技术合作;产品在中国菜博会及技术进出口交易会上进行展示。 土壤修复行业2023年的市场规模将达700亿元,年均增长率为20%。本产品为稳定剂粉剂,大型农林业种植公司和土壤修复公司是主要的目标客户。风险方面,本产品具有高稳定性等性能优势;政策方面随着支持政策的不断出台,对土壤修复市场不断利好。

团队介绍

创业团队均来自于或者曾经就读于南京林业大学理学院,是国家双一流建设学科林业工程的主要建设单位,生物质材料研究成果处于国内领先水平。 团队成员在同一个实验室共事多年,彼此间相互信任、配合默契,能够团结一致地围绕生物质功能材料、高分子材料的开发应用进行研究和产业化,切实解决下游企业的技术问题。

创新性产品(服务)

1、技术创新内容 以水泥、石灰材料为代表的固化/稳定化土壤修复技术能够将土壤中的重金属污染物固定起来,或者将其形态从可迁移形态转化稳定成不可迁移形态,降低污染物的毒害程度。因为具有工艺简单、费用低、修复时间短等优势,是一种重要的重金属土壤污染修复技术,被美国环保署成为处理有害有毒废物的最佳技术,广泛用于农林业、工业、矿山土壤修复中,尤其用于农林业:由于耕地面积广阔、经济价值偏低,农民难以负担采用复杂的工业土壤工程修复方案,并且需要处理速度快,不影响种植,这使得成本低的固化稳定化技术成为农林业土壤修复的最主流选择。

然而这项技术存在着以下问题:

(1)长期稳定性差,容易二次溶出:水泥石灰等固化稳定化技术在短期内能够有效的固化土壤中的重金属,但是长期来看,固定/稳定的重金属会缓慢的从固化稳定材料中再次溶出,变成可迁移形态,继续污染所在土壤环境;

(2)处理后的土壤无法资源化利用:经过固化/稳定化处理以后的土壤理化性质发生巨大变化,通常用于路桥铺设,无法继续进行种植等资源化利用;

(3)与种植生产过程没有协同作用:在需要进行种植的场合,修复方法和种植过程相互独立,基本没有促进作物生长的作用。

创新内容

本项目研发生产的治理土壤重金属污染的稳定剂产品具有持久降低土壤中生物可利用态重金属离子含量的功能,可改善土壤结构,提高肥料利用率和同时降低农产品中重金属含量的功能。本项目通过大型仪器表征分析方法优选和鉴别无机矿物原料和生物质高分子原料的性能,结合特定生产工艺,配合土壤和农业效果评价体系的验证,开发出了效果显著的、可用作降低土壤中可迁移态重金属离子含量、促进生态农业种植和具有独特复合物分子结构的土壤稳定剂产品。

(1)首次优选木质素、腐殖酸等多酚类生物质材料和无机矿物原料等复合进行土壤重金属修复:复合原料生态环保,对环境没有任何污染。通过正交试验方法设计合成不同原料配比的系列复合原料。生物质原料具有多种活性官能团可与多种植物生长所需的营养肥料分子相互作用,达到缓释肥料分子效果,生物质多种活性官能团还可吸附富集土壤中的重金属离子和水分,促使重金属离子运移到矿物的层间发生沉淀反应;生物质原料与无机层状矿物发生层嵌反应,增大稳定剂复合物比表面积,提高稳定剂富集重金属离子性能;

通过软化学合成法将复合原料共同构建疏松的蜂窝型复合结构:通过控制关键工艺参数(包括原料添加顺序、温度、浓度),制备一种蜂窝型结构的复合物,该复合结构能将土壤中重金属离子沉淀在层状无机矿物的晶格内,使重金属离子难以再被释放回环境,进而也降低种植出的农产品中的重金属离子含量。同时能够协同发挥两种原材料对肥料分子的控缓释功能,并兼有光催化降解残留有机农药分子的环境净化性能;

(3)采用独特的嵌入-接枝复配生产工艺,可进一步将无机层状化合物层板间的重金属沉淀用特定添加剂包裹封堵,使重金属沉淀不会因氧化反应而再次溶出,具有将重金属离子转化为不可迁移态的持久效果

本项目精选了腐殖酸、木质素、农业秸秆、无机矿物为原料,配合其他适量添加剂和辅料,以较低的成本生产有独特复合物分子结构的土壤稳定剂产品,该稳定剂产品具备多重复合功能、以绿色、环保、安全的方式治理土壤重金属污染,提高土壤肥效和肥料利用率,降低农作物的重金属离子含量。本项目主要生产粉剂产品。具体的产品指标如下: 粉剂产品:生物质(腐殖酸、木质素纤维素)≥28%、无机矿物≥25%。

采用的基本工艺流程如下:

生产过程中涉及化工工艺步骤主要有原料混合、挤压、包装和除尘等操作单元。中试生产及工业化生产中各单元采用设备如下表:

修复后土壤全量Cd、Hg、As、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn在低污染、低中污染、中污染土壤已经达到国家环境质量一级标准,高污染土壤已经达到国家环境质量二级或三级标准!

技术创新水平

技术国内领先。本项目具有多项自主知识产权,属于李文卓教授团队专有的技术成果。产品利用软化学合成方法将天然生物质原料(木质素、腐殖酸、纤维素)和天然矿物等原料制备成具有特殊分子结构的复合物,应用到土壤重金属污染治理上,同时利用添加剂对无机层板晶格内重金属沉淀进一步包覆封堵,防止重金属以迁移态形式再释放到环境。

技术成熟度

(1)前期技术开发:调整各原料用量,测试各原料不同比例的土壤稳定剂在溶液中对重金属离子的吸附,建立吸附动力学方程,根据吸附速率和吸附量优选出最佳原料用量比例。

(2)小试生产:已完成10公斤级的小试生产,对生产工艺参数进行优化调整。所生产的粉剂产品有效成分均匀,稳定性良好。将粉剂产品用于盆栽实验,测试结果显示土壤稳定剂能将土壤中可迁移态重金属浓度降低73~98%,促进植物生长,植物中的重金属含量降低至ISO国际标准。

(3)中试生产:在小试基础上进一步的完成100公斤级的中试生产,产品性能稳定,技术成熟。试用品经由金友立生态公司测试试用,反馈效果明显。

(4)商业推广:产品在中国(寿光)国际蔬菜科技博览会以及中国(上海)国际技术进出口交易会上进行展示;与金友立生态农业公司已达成合作协议,在其示范棚中试用效果明显,能够改善耕地土壤,提高种植效率达10%;与行业修复知名企业上海化工研究院土壤修复工程技术中心、绿色生态农业中心、沭阳利民畜禽无害化处理有限公司进行技术交流合作,被誉为技术先进、前景广阔,有意向进行下一步合作。

可靠性及稳定性

本课题土壤稳定剂比表面积大,可达260g/ m2和大量的能与重金属离子配位的活性基团,因此其对土壤中重金属离子具有高吸附量和高吸附速率特性,而且能将土壤中重金属离子沉淀在层状无机矿物的晶格内,使重金属离子难以再被释放回环境。使用本课题稳定剂后土壤的可迁移态重金属离子浓度稳定期超过3年,远高于其他土壤重金属稳定剂约6个月的效果。本团队依靠高校院所仪器设备对土壤稳定剂的性能进行测试分析,保证产品的效果可靠稳定。

实现成本

本项目中,产品所需原料广泛易得,本生产工艺流程简单,损耗低,且产品价值较高。具体地,粉剂产品:原料价为1500元/吨,批发售价为5000元/吨。现市场上无类似产品,而效果接近的一些单一功能的土壤重金属捕捉剂产品普遍售价在13000元/吨左右(某些生物类单品甚至可达35000元/吨)。

技术优势

(1)强力钝化重金属,不再二次溶出:产品是一种层嵌结构的复合物,该复合物能将土壤中可迁移态重金属离子沉淀在层状无机矿物的晶格内,并采用特定添加剂将重金属沉淀完全封堵在矿物晶格内,使重金属离子无法再被释放回环境;

不改变土壤的物理性状,可以进行资源化利利用用:土壤稳定剂对重金属污染物进行吸附作用,不改变土壤物理性状,所以处理后的土壤仍然具有所有功能,可以进行资源化

(3)全过程绿色环保:生产原料由源于天然有机原料、天然矿物和植物所需营养成分组成,源头绿色环保;处理过程通过物理吸附、沉淀、物理封堵的方式进行,没有中间污染物,也不产生任何三废废弃物。从源头到整个处理完成都是环保的,保证了产品绿色、安全和环保的特色;

(4)在种植性土壤中,修复过程和种植过程具有协同作用:本产品具备具有复合功能:1)缓释肥料,提高利用率:本产品具有缓释肥料的功能,减少可溶性肥料随雨水和灌溉的损失,适应植物的生长周期。2)提高土壤性能:产品中木质素、腐殖酸和无机矿物的粘性作用对改善土壤板结,增加团粒,提高透气性,结构调节土壤微环境平衡有很大的帮助作用;

(5)对各种重金属的钝化具有普适性:生物质原料中的活性官能团结构具有吸附特性,能将各种超标重金属吸附到无机晶格中沉淀并进行封堵钝化。普遍适用于各种重金属污染物。

自有知识产权

市场竞争优势

整个土壤修复行业处于快速发展阶段,固化稳定技术属于较为成熟的技术,应用非常广泛。本产品市场定位于环保、高性能的固化稳定化产品,主要的竞争产品是其他固化稳定化产品,如石灰、分子筛、生物菌、有机螯合剂、活性炭等,主要的竞争对手有上海傲江、北京建工环境修复股份有限公司、中节能大地环境修复有限公司,与山西可利尔生物科技有限公司的生物菌产品也存在竞争关系,将竞争对手的产品比较后,列举如下:

性能优势

性能优势:传统的土壤重金属污染的稳定剂产品长期稳定性差,吸收的重金属容易析出,对新的环境继续造成污染。本产品精选的原料和独特生产工艺能够长期稳定重金属,效果明显,整体性能优良。

成本优势

成本优势:产品精选生物质原料、无机矿物作为原料,来源广泛并且价格便宜,具有相当大的价格优势。随着本公司产品产量的增加和对生产工艺优化的深入,未来存在进一步压缩成本的可能性。

政策优势

土壤修复是今年来的热门领域,政策密集出台。从2016年5月发布土十条明确对整个行业进行整治以来,陆续发布发展规划、管理办法、评估指南、装备目录等等指导和强制政策。本产品是绿色环保产品,顺应政策指导方向。随着政策进一步落实执行,本产品将逐渐受到重视和广泛应用。

技术优势

本团队成员在生物质材料领域积累了多年的技术成果,开发出成熟的产品,具有明显的创新优势。并且依托双一流专业主要建设单位的优势,共享南京林业大学理学院的研究分析仪器设备、工程实验室等,具备雄厚的研发资源。

市场优势

本团队成员在生物质材料领域积累了多年的技术成果,开发出成熟的产品,具有明显的创新优势。并且依托双一流专业主要建设单位的优势,共享南京林业大学理学院的研究分析仪器设备、工程实验室等,具备雄厚的研发资源。

生产管理优势

本公司团队生产副总王建龙长期在红太阳集团化肥科技发展有限公司担任车间主任兼仓库主任,具有丰富的生产管理经验。同时本团队具备良好的产品开发、小试、中试、生产、性能测试、配方设计等平台和资源,可以保证产品的优质高效生产。

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