【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于土壤改良，具體而言，涉及一種可持續仿生土及其制備方法與應用。
技術介紹
1、煤矸石的原位大量處置一直是煤炭開采和加工過程中的難點問題之一。據統計，2022年，我國原煤產量約占全球煤炭產量的51.8％，為45.6億噸，其中煤矸石產量約6.84億噸。截止當前，我國累計煤矸石存量約60億噸，未經處置的煤矸石堆積會造成嚴重的環境問題。例如，長期堆積淋溶導致的煤矸石中的重金屬富集會增加人體和動物的健康風險，煤矸石自燃會引起大氣污染，非飽和煤矸石山失穩造成的滑坡等工程地質災害。目前煤矸石利用技術主要集中在：與煤共摻燒發電、制備建筑和路基材料、化工新材料和高附加值金屬提取等方向，這些解決思路在我國經濟發達的東部地區具有足夠的市場前景，但不適用于煤矸石產量更大、對建材需求較小的偏遠西北地區。盡管現有的煤炭開采技術針對井底煤矸石充填做出了一系列的優化，但其存在的問題，包括矸石消耗量有限、影響采煤過程效率并不能解決煤矸石產量很大的根本性問題。因此，開發煤矸石原位大量利用的技術迫在眉睫。
2、土地復墾是煤矸石原位大量處置的最佳選擇之一，其主要方法是通過在煤矸石填埋前鋪設低滲透率的底層防滲層，或者在堆場表面覆土以隔絕煤矸石，該方法已經取得了良好的成果。然而，傳統的填埋方式沒有考慮煤矸石整體物質和外界的擴散輸送，在較長的堆存時間后(如幾十年)環境風險突出，主要原因是：第一，煤矸石內部仍然存有大量孔隙，長期堆積發熱極易自燃；第二，復墾過程中防滲層破損或覆土不足導致煤矸石中pb、as等重金屬浸出；第三，復墾后的土層缺乏天然土壤的結構
3、本專利技術針對傳統煤矸石復墾覆土生態風險高的問題，提出以礦區煤基固廢為原料制備仿生土固化劑，改性原位土壤以達到最佳的土工、環境和水分運移功能。已有研究證明，利用波特蘭水泥(po)和煤基固廢(如粉煤灰、脫硫石膏)的化學性質和礦物學性質協同作用，可制備高強度的膠凝材料；其潛在的水化產物包括水化硅酸鈣(c-s-h)和鈣礬石(aft)等，在填充土體孔隙改善土壤孔隙結構、提高力學性能的同時，對重金屬也有非常好的吸附，包封和離子交換作用。聚丙烯酰胺pam作為典型的高吸水性聚合物，由于其分子表面存在的-oh，-cooh和-conh等親水性基團，不僅可以促進土壤團聚體的生成，也能提升土壤重金屬吸附能力，在構建土壤-水泥地下屏障的工程應用中已取得了很好的效果。因此，多外加劑聯用改性后的原位土壤，用于和矸石共同構建新的深層土壤層有極大的潛力。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種可持續仿生土及其制備方法與應用。本專利技術的可持續仿生土為煤矸石的原位大量處置和資源化利用提供了有效解決方案。
2、本專利技術的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。
3、本專利技術的一個方面提供了一種可持續仿生土，按照重量百分比計，所述仿生土包括：粉土和固化劑，所述固化劑為所述粉土質量的6～8％；所述固化劑包括固化劑i和固化劑ii，所述固化劑ii為所述粉土質量的0～1‰。
4、在本專利技術的一個優選實施例中，所述固化劑i包括：水泥、粉煤灰份以及脫硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脫硫石膏的質量比為(10～12)：(6～10)：(1～5)。
5、在本專利技術的一個優選實施例中，所述固化劑ii為聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000萬之間。
6、本專利技術的另一個方面還提供了一種如前所述的可持續仿生土的制備方法，所述方法包括以下步驟：
7、s1：制備固化劑i：將水泥、粉煤灰以及脫硫石膏烘干后按照比例混合均勻；
8、準備固化劑ii：聚丙烯酰胺，分子量為1000～2000萬；
9、s2：制備仿生土：首先將固化劑ii溶于水中得到固化劑ii的水溶液，然后依次加入粉土和固化劑i，攪拌均勻得到混合料，將所得混合料依次經過注模制樣、養護及脫模，得到可持續仿生土成品。
10、在本專利技術的一個優選實施例中，步驟s1中，所述烘干條件為：80～120℃，時間1～3h。
11、在本專利技術的一個優選實施例中，步驟s1中，所述固化劑ii為聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000萬之間。
12、在本專利技術的一個優選實施例中，步驟s2中，所述水按照與粉土質量比1:2的量加入。
13、在本專利技術的一個優選實施例中，步驟s2中，所述攪拌條件為：轉速57～67r/min，時間5～15min。
14、在本專利技術的一個優選實施例中，步驟s2中，所述養護過程為：先在自然條件下養護20～26h，然后在溫度18～22℃、濕度94～96％下養護。
15、本專利技術的又一個方面還提供了一種根據如前所述的可持續仿生土在煤矸石的資源化復墾中的應用。
16、借由上述技術方案，本專利技術至少具有下列優點：
17、本專利技術以煤基固廢和水泥等為原料制備了一種新型無機固化劑isa，同時研究了其在不同摻量下和固化劑ii聚丙烯酰胺pam聯用對仿生土環境特性的影響。通過設計土壤蒸發實驗、土水特征曲線測試和土壤重金屬浸出實驗完成了土壤土工、生態和環境性能評價，采用mip、tg-dsc、xrd、sem-eds對經過固化劑isa和固化劑ii固化后仿生土進行了結構表征。結果表明：固化劑isa的摻入顯著提高了原位土壤的無側限抗壓強度和比重等土工性能，粒徑分析提示固化劑isa提高了土壤黏粒和粉粒的占比。土壤土水特征實驗、水分蒸發實驗和壓汞實驗結果表明固化劑isa的摻量可以在維持土壤雙峰結構的同時確保了較好的保水能力。
18、根據本專利技術得到的可持續仿生土對重金屬pb、zn、cu和as具有良好的固化穩定化效果，固化劑ii的pam顆粒和固化劑isa的水化產物不僅可以填充土壤孔隙、提升土壤強度，還可以完成對重金屬的吸附，包封和固定。本專利技術所制備的可持續仿生土為我國西北礦區煤矸石的原位大量處置和資源化利用提供了有效解決方案。
19、上述說明僅是本專利技術技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本專利技術的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本專利技術的較佳實施例詳細說明如后。
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1.一種可持續仿生土，其特征在于，所述仿生土包括：粉土和固化劑，所述固化劑為所述粉土質量的6～8％；所述固化劑包括固化劑I和固化劑II，所述固化劑II為所述粉土質量的0～1‰。
2.根據權利要求1所述的可持續仿生土，其特征在于，所述固化劑I包括：水泥、粉煤灰份以及脫硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脫硫石膏的質量比為(10～12)：(6～10)：(1～5)。
3.根據權利要求1所述的可持續仿生土，其特征在于，所述固化劑II為聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000萬之間。
4.一種根據權利要求1～3中任一項所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述烘干條件為：80～120℃，時間1～3h。
6.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述固化劑II為聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000萬之間。
7.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟S2
8.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述攪拌條件為：轉速57～67r/min，時間5～15min。
9.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述養護過程為：先在自然條件下養護20～26h，然后在溫度18～22℃、濕度94～96％下養護。
10.根據權利要求1～3中任一項所述的可持續仿生土在煤矸石的資源化復墾中的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種可持續仿生土，其特征在于，所述仿生土包括：粉土和固化劑，所述固化劑為所述粉土質量的6～8％；所述固化劑包括固化劑i和固化劑ii，所述固化劑ii為所述粉土質量的0～1‰。
2.根據權利要求1所述的可持續仿生土，其特征在于，所述固化劑i包括：水泥、粉煤灰份以及脫硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脫硫石膏的質量比為(10～12)：(6～10)：(1～5)。
3.根據權利要求1所述的可持續仿生土，其特征在于，所述固化劑ii為聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000萬之間。
4.一種根據權利要求1～3中任一項所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的可持續仿生土的制備方法，其特征在于，步驟s1中，所述烘干條件為：80～12...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張凱，楊康，陳雨航，陳夢圓，吳豪楠，馮少凱，
申請(專利權)人：中國礦業大學北京，
類型：發明
國別省市：
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