本發明涉及透水磚的制備，具體為一種用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚及其制備方法。

背景技術：

1、大規模的礦產資源開發引發了生態環境問題。長期的煤炭開采活動，對生態環境造成了破壞，目前大規模的生態治理過程中土壤污染是嚴重制約生態復綠的最大最直接的因素。

2、近年來生態修復過程中，人工補水和礦坑積水蒸發成為次生鹽堿化的重要誘因:礦區植被重建需通過灌溉維持植物存活，但在干旱氣候條件下，地表水分快速蒸發導致下層鹽分向表層富集；露天開采形成的礦坑蓄積雨水后，經長期蒸發濃縮，鹽類結晶析出并向周邊土壤擴散，形成局部高鹽斑塊；部分礦井水（疏干水）鹽堿含量普遍較高，直接排放或者用于種植澆水加劇土壤的污染，導致植被存活期大幅度縮短；部分井工礦在作業過程中含高鹽分的礦區廢水通過裂隙滲入土壤，盡管范圍較小，但在一定程度上也加劇土壤鹽堿化程度。

3、大型典型礦區面積大，煤層埋深較淺，自身地表生態環境脆弱，煤炭開采過程中采用大規模的露天開采，致使土體環境復雜，在生態治理過程中，盡管采用本地植被，并經過改良，例如芨芨草等草本植物，但由于草本植物需水頻繁，養護作業繁瑣，以及草本植物生命力較弱等因素，試驗地存活問題不大，在礦區特殊土體環境一般存活期也就是一年，生態治理難度極大，大部分企業為了應付檢查或者驗收，不得不臨時采用播撒小麥種的方式（比起草種來說，小麥生芽復綠時間短，幼苗區分度低，從遠處看就像是草一樣感覺綠了）。

4、多重因素疊加下，礦區生態修復面臨重金屬污染與土壤鹽堿化的雙重挑戰，兩類污染因子產生協同放大效應，對土壤結構和功能造成多維度的破壞。土壤環境嚴重抑制喬木根系發育，導致成活率不足30%。傳統改良方法如客土置換、化學淋洗存在成本高、易二次污染且難以持續的問題，大規模修復造價高且效果不佳。

5、因此，尋求一種新的用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚以解決為干旱礦區喬木種植提供低成本、長效穩定的生長環境，顯著提升植被成活率與生態修復效率是目前亟待解決的問題。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚及其制備方法。結合礦區因長期采礦及工業活動，土壤環境遭受重金屬污染，導致植被恢復困難，且氣候干旱加劇土壤鹽堿化的特點，本發明通過利用工業固廢磷石膏、沸石粉、高爐礦渣、聚合氯化鋁廢渣、高鈣粉煤灰與生物酶化處理的構樹皮、腐殖質等材料，通過放射狀導流結構的球體-纖維狀復合結構，制備具有導流、緩釋、過濾功能的透水磚。該透水磚通過構樹皮纖維導流管將礦區污染地中的有害離子（cd2+、pb2+、cr6+）和鹽分輸送至磚體內部進行吸附與中和，釋放有機質和養分，通過有機-無機復合機制，阻滯重金屬離子，降低鹽堿脅迫，促進喬木根系生長，形成高效、可持續的金屬/鹽堿阻滯作用，提高礦區污染地喬木的存活率，促進生長。傳統的耐寒耐旱耐堿耐污的喬木種植往往只能在短期內維持樹木的生長，而無法改善土壤環境，本發明不僅可以吸附鹽離子還可以提高保水性，生物炭配合腐殖酸類物質改善土壤團粒結構。突破傳統耐鹽喬木種植技術對土壤原有條件的強依賴性。在礦區污染地種耐寒耐旱耐堿耐污喬木，能穩固土壤，防止水土流失，減少污染擴散。同時，植被覆蓋抑制揚塵、凈化空氣，美化環境并重建生態，兼具低成本修復與潛在經濟收益，助力礦區可持續治理與生態恢復。

2、本發明的透水磚通過構樹皮纖維導流管將污染礦區中的有害離子（cd2+、pb2+、cr6+）和鹽分輸送至磚體內部進行吸附與中和，釋放有機質和養分，通過有機-無機復合機制，阻滯重金屬離子，降低鹽堿脅迫，促進喬木根系生長，形成高效、可持續的金屬/鹽堿阻滯作用，提高礦區污染地喬木的存活率，促進生長。

3、本發明采用工業固廢磷石膏、沸石粉、高爐礦渣、聚合氯化鋁廢渣、高鈣粉煤灰等材料，利用其多孔結構，物理吸附捕獲重金屬離子，其中硅鋁酸鹽與重金屬反應生成穩定礦物，降低生物有效性。腐殖酸中的羧基（-cooh）、酚羥基（-oh）與重金屬形成螯合物，三重效果對重金屬、鹽堿化的成分進行有效的吸附。

4、本發明磚材在保證透水的程度上，極大程度在喬木幼苗期得到有效保護，這樣耐旱耐堿的喬木成年期抗污染能力提升，磚材性能盡管有所下降，但是實現了目標，例如礦區常見的耐寒耐旱耐堿耐污的喬木作物有：沙棗樹、胡楊、旱柳等。

5、本發明的研發思路如附圖8所示。

6、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

7、一種用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚，按照質量份數包括以下組分：球體-纖維狀復合單元體20-30份、高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑50-60份、沸石粉5-8份、鈣基膨潤土5-10份、三水鋁石-生物炭復合材料3-5份、水40-45份；

8、其中，球體-纖維狀復合單元體的粒徑為20-30mm，其原料包括以下質量份的組分：磷石膏40-50份、高爐礦渣20-30份、聚合氯化鋁廢渣20-25份、污水廠廢棄活性污泥20-25份、生物酶化構樹皮纖維80-100份、緩釋肥微凝膠20-23份、糯米生物膠10-15份、水80-95份。

9、優選的，高爐礦渣粒徑為60-100目，sio2含量30-48%，cao含量37-40%，al2o3含量15-20%，mgo含量8-10%；球體-纖維狀復合單元體的制備方法，包括以下步驟：

10、s11.將40-50份粒徑為100-150目的磷石膏和80-95份水的50%置于攪拌機中，攪拌30-60s，攪拌機轉速為100-120r/min，加入20-23份緩釋肥微凝膠繼續攪拌60-80s，攪拌機轉速為80-100r/min，再加入20-30份高爐礦渣繼續攪拌40-60s，攪拌機轉速為60-100r/min；

11、s12.將20-25份污水廠廢棄活性污泥、18-25份4-10mm生物酶化構樹皮纖維和剩余水置入攪拌機中繼續攪拌60-120s，攪拌機轉速為60-80r/min；

12、s13.將s12所得混合物放入圓盤造粒機中進行球化處理，控制球體粒徑為20-25mm，繼續加入20-25份粒徑為300-350目的聚合氯化鋁廢渣，控制覆裹厚度為2-3mm，再用鋰電噴槍，噴嘴直徑為2.2mm，最大流量為700ml/min，緩慢均勻噴涂糯米生物膠，膠層厚度0.5-1mm，之后加入62-75份45-50mm的生物酶化構樹皮纖維進行覆裹、粘結；

13、s14.將s13所得的球體在室溫下靜置2-3h，再將其置于溫度為20-23℃的水中進行水浴養護7天后，即得到球體-纖維狀復合單元體。

14、優選的，生物酶化構樹皮纖維的長度分為4-10mm和45-50mm，其原料包括以下質量份的組分：纖維素酶2.8-12.5份，酸性蛋白酶1.4-3.7份，果膠酶0.7-3.7份，去離子水100份；纖維素酶粒徑為100-200目，酸性蛋白酶粒徑為100-200目，果膠酶粒徑為100-200目；生物酶化構樹皮纖維通過以下步驟制得：

15、s111.將新鮮構樹皮剝下后陰干，通過機械拍打、碾壓初步破壞外層角質結構后在水中浸泡1-3天，再將其剪斷為長度4-10mm和45-50mm，將構樹皮纖維在70-80℃下滅菌1h；

16、s112.將100份去離子水置入不銹鋼容器中，加入2.8-12.5份纖維素酶，1.4-3.7份酸性蛋白酶和0.7-3.7份果膠酶，配置生物復合酶溶液，將不銹鋼容器放置于加熱板上加熱至45-50℃保持2-5min，加熱的同時用攪拌棒輕攪拌混合物至三種酶完全溶解，保持溶液溫度為45-50℃；

17、s113.將s111中經過處理的構樹皮纖維加入s112所得溶液中，并將不銹鋼容器放置于加熱板上繼續加熱至45-50℃，加熱過程中將超聲波發生器探頭浸沒于溶液中，設置超聲波功率為100-150w、超聲波頻率為50-60khz，處理時間為2-3min后，靜置溶液20-30min，重復上述超聲波處理步驟8-10次，總處理時間為4h，酶解完成后加熱至85℃保持10min，使酶失活；

18、s114.將s113所得溶液通過過濾分離酶解液與固體殘渣，固體部分經50-60℃熱風干燥至水分≤12%，獲得生物酶化構樹皮纖維。

19、優選的，緩釋肥微凝膠按質量份包括以下組分：殼聚糖2-5份、戊二醛交聯劑溶液1-2份、集中養殖場的羊糞肥40-50份、腐殖酸鉀15-20份、硫酸銨8-12份、過磷酸鈣5-8份、醋酸溶液85-90份、蒸餾水30-40份；殼聚糖粒徑為100-200目，戊二醛交聯劑溶液的濃度為1%-2%，腐殖酸鉀粒徑為100-150目，硫酸銨粒徑為60-100目，過磷酸鈣粒徑為100-200目，醋酸溶液的濃度為1-2%。

20、優選的，緩釋肥微凝膠的制備方法，包括以下步驟：

21、s121.將40-50份集中養殖場的羊糞肥、15-20份腐殖酸鉀、8-12份硫酸銨、5-8份過磷酸鈣倒入攪拌機，以100-120r/min的轉速攪拌3-5min，向混合好的材料中加入30-40份蒸餾水，邊加邊攪拌，使混合物濕度達到30-40%，形成具有一定可塑性的團塊狀物料，粒徑約為2-5mm；

22、s122.將85-90份醋酸溶液置入不銹鋼容器中，加入2-5份殼聚糖，將超聲波發生器探頭浸沒于溶液中，設置超聲波功率為120-150w、超聲波頻率為45-60khz，處理時間為2-3min，使殼聚糖充分溶解并分散均勻，降低溶液表面張力；

23、s123.將s121制備好的具有一定可塑性的團塊狀物料緩慢倒入s122制備的殼聚糖溶液中，設置恒溫磁力攪拌器的溫度為30-35℃，以200-300r/min的轉速攪拌5-10min，再逐滴加入1-2份戊二醛交聯劑溶液，滴加速度控制在每秒1-2滴，邊滴加邊攪拌，滴加完畢后繼續以200-300r/min的轉速攪拌1-2min，靜置2-3h，使殼聚糖在芯材表面發生交聯固化，形成穩定的包膜；

24、s124.將s123得到的形成包膜的溶液倒入離心管，放入離心機以3000-4000r/min的轉速離心5-8min，倒去上清液得到緩釋肥微凝膠顆粒；

25、s125.將s124所得溶液放入冷凍干燥設備中預冷10-15min，預冷溫度為-20-25℃。冷凍干燥時間5-8h后，即獲得緩釋肥微凝膠。

26、優選的，糯米生物膠按質量份包括以下組分：糯米粉10-15份、明礬0.1-0.2份、水10-20份；糯米粉粒徑為90-100目，明礬粒徑為180-200目。

27、優選的，糯米生物膠的制備方法，包括以下步驟：

28、s131.將5-10份水置入不銹鋼容器中，加入10-15份糯米粉，將不銹鋼容器放置于加熱板上加熱至50-60℃，加熱過程中用攪拌棒輕攪拌混合物3-5min；

29、s132.待s131的混合物呈糊狀后，再加入0.1-0.2份明礬和剩余水，繼續加熱至80-85℃，同時用攪拌棒同方向攪拌混合物8-10min，呈現流動性膠液后停止加熱，其冷卻至23-26℃，即得到糯米生物膠。

30、優選的，高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑按質量份包括以下組分：酸性礦渣粉40-50份、高鈣粉煤灰25-30份、偏高嶺土8-12份、脫硫石膏4-6份、原位土10-12份、甘油三醇0.1-0.2份；酸性礦渣粉中sio2含量為32.56%、al2o3含量為8.75%、cao含量為45.11%、燒失量為2.3%；高鈣粉煤灰中cao含量為30%、sio2含量為41.3%、al2o3含量為11.6%、燒失量為4.35%；偏高嶺土中sio2含量為52.08%、al2o3含量為44.23%、fe2o3含量為0.52%、燒失量為9.75%；脫硫石膏中p2o5含量為0.6-0.8wt%；脫硫石膏中so3含量為43.13%、燒失量為2.29%；原位土中nacl、na2so4含量為5-15%、燒失量為13.85%；甘油三醇密度為1.26g/cm3。

31、優選的，高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑的制備方法，包括以下步驟：

32、s21.將原位土用水洗去除可溶性鹽后放入烘箱，設置溫度為105-110℃烘干6-8h；

33、s22.將各種原料用球磨機粉磨通過200目篩，篩余量小于5%；

34、s23.將40-50份酸性礦渣粉、25-30份高鈣粉煤灰、8-12份偏高嶺土、10-12份原位土投入混料機，干混15-20min使得原料粉體混合均勻；

35、s24.將s23得到的混合粉體加入4-5份脫硫石膏和0.1-0.2份甘油三醇后粉磨至細度為比表面積400-500m2/kg，即得到了高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑。

36、優選的，三水鋁石-生物炭復合材料粒徑為30-40目，是將三水鋁石與秸稈生物炭共熱解形成的，富含鋁和硅的多孔碳基材料。

37、一種用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚的制備方法，用于制備上述用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚，包括以下步驟：

38、s1.將50-60份高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑、粒徑為80-100目的5-8份沸石粉和20-30份球體-纖維狀復合單元體加入到攪拌設備中，預混30-60s，攪拌機轉速為100-120r/min，再加入粒徑為400-500目的5-10份鈣基膨潤土和3-5份三水鋁石-生物炭復合材料繼續攪拌100-160s，攪拌機轉速為80-100r/min；

39、s2.將40-45份水加入攪拌機，攪拌3-5min，攪拌機轉速為100-120r/min；

40、s3.將混均后的物料攤鋪在模具中，模具尺寸為15.5cm×10.5cm×5cm，將模具置于壓制機中振動壓制加工，振動壓制過程中，壓力為20mpa，壓制時間為10-15s，振動頻率是60-70hz，得到透水磚坯體；

41、s4.成型后的透水磚坯體連同模具一起放入養護室進行養護，養護室的溫度控制在20-23℃，相對濕度保持在90-92%，在養護期間定期噴水，保持磚坯表面濕潤，養護8天后，即得到一種用于喬木種植土坑的重金屬/鹽堿阻滯緩釋肥固廢透水磚。

42、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

43、1、本發明球體-纖維狀復合單元體是由核心層與外層導流結構組成，各功能層通過協同作用實現三重修復機制：重金屬吸附、鹽分遷移，提升有機質和養分含量促進喬木生長。球體-纖維狀復合單元體有著放射狀導流結構，表面積增加40%以上，提升污染物接觸效率。核心層由磷石膏、高爐礦渣與活性污泥復合材料構建微孔-介孔多級孔隙體系，通過物理吸附與離子交換雙重機制實現重金屬離子捕獲和鹽分離子的遷移。內嵌的緩釋肥微凝膠通過緩釋作用持續供給營養元素。外層構樹皮導流層模擬植物根系功能，經復合生物酶處理的構樹皮纖維形成毛細通道，通過表面張力引導含鹽分向球體內部遷移，磷石膏中的鈣離子置換鈉離子，過濾后的低鹽水、無污染水分和養分通過透水磚體孔道排出或回滲至喬木植物根系。這種球體-纖維狀復合單元體體系不僅可以吸附重金屬離子（cd2+、pb2+、cr6+）等、實現鹽分遷移，還能有效促進重污染、鹽堿地喬木的生長。

44、2、構樹皮纖維呈微孔徑內空腔管狀結構，具有典型毛細吸水特征。構樹皮纖維中的高纖維素含量和低木質素特性，賦予其良好的耐酸堿性。經過復合生物酶處理后的構樹皮纖維形成纖維狀導流管，有著力學支撐功能與物質輸運能力，導流效率比天然根系高。緩釋肥微凝膠使養分在土壤中逐漸分解并釋放，給喬木均衡的營養供給，提高肥料利用率，減少氮素揮發和硝酸鹽淋溶，降低水體富營養化風險，避免過量施肥導致的土壤鹽漬化和酸化，維持土壤微生物活性。鈣基膨潤土是以蒙脫石為主要成分的層狀硅酸鹽礦物，層間陽離子交換能力強，具有顯著的吸附性。三水鋁石-生物炭復合材料是將三水鋁石（天然鋁礦物）與秸稈生物炭共熱解，形成富含鋁、硅的多孔碳基材料。促進土壤團粒結構形成，減少鹽分表聚。通過不同材料的協同作用，對有害成分吸附、重金屬污染處理、鹽分遷移、喬木養分供給等多方面提供了支持。

45、3、高鈣硫鋁體系多相復合磚體粘結劑基于固廢資源化利用與污染物協同固化機制，形成礦區重污染土壤修復-鹽堿地改良集成化膠凝體系。其中酸性礦渣粉、高鈣粉煤灰和偏高嶺土中的活性硅鋁成分可與重金屬離子發生火山灰反應，生成穩定的硅鋁酸鹽礦物，將重金屬包裹固化，降低其遷移性和生物有效性。脫硫石膏的微孔結構可吸附土壤中游離的na+、cl－等離子，減少鹽分向地表遷移。水化產物鈣礬石和c-s-h凝膠與土壤顆粒結合，形成穩定的團聚體，增強透氣性和保水性，促進喬木根系發育。

46、4、透水磚基于固廢基材-仿生結構-生態調控協同設計理念，構建重金屬/鹽分截留-透水-養分緩釋復合功能體系。其功能實現依托以下協同機制：一是多級吸附網絡:通過仿生導流通道的毛細效應驅動污染溶液遷移，依次經粗濾層、化學吸附層完成梯級凈化；二是動態過濾系統：蜂窩狀透水孔道實現凈化水體排放，同步輸出緩釋微肥。透水磚形成“鹽分-重金屬-有機物”三位一體凈化路徑，其核心價值在于以低成本、高效益的方式破解礦區強污染/鹽堿地喬木生長難題。