水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取装置及提取方法

技术领域

本发明涉及土壤重金属提取技术领域，具体涉及一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取装置及提取方法。

背景技术

在城市化和工业化发展进程中，土壤重金属污染问题已不容忽视。重金属污染严重影响土壤的质量和使用价值，造成植被生长受到抑制、农作物产量降低，重金属随食物链作用于人体或通过水、植物等介质在人体内蓄积，对人类生活和身体健康产生危害，目前对土壤中重金属进行修复的方法主要包括：物理修复、化学修复、生物修复等。当镉进入植物并积累到一定程度，就会影响水稻、小麦的生长发育、产量以及品质。据研究，当土壤中可溶态镉为0.43mg/kg时，水稻减产10％；为8.10mg/kg时，水稻减产达25％；稻米镉和土壤可溶态镉的相关系数达0.997，影响稻米的氨基酸及淀粉中的支链淀粉和直链淀粉比例改变，使其品质变差。

传统的镉污染土壤修复方法主要有排土、客土和深耕翻土等物理方法，就是去表层土并向污染土壤中加入大量干净的土壤，覆盖在表层或混匀，使污染物浓度下降到临界危害浓度以下，或减少污染物与根系的接触，去表层土可使稻米中镉含量降低50％，这种物理措施并不是改良土壤的根本措施；但是这种方法耗费大量资金、人力和物力，排出的污染土壤又很容易引起污染，而且土壤肥力会有所下降。

因此现需要一种能够在水稻及小麦种植土壤中将重金属镉提取出来的处理装置及方法，且应当便于实施，具备成本低、效率高，以便于大规模应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提供了一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取装置及提取方法；本发明提供的土壤重金属镉提取装置能够在种植土壤上对重金属镉进行提取，机械化程度高、且具有较高的处理效率；本发明提供的提取方法能够对水稻及小麦种植土壤实现显著的改善，且具有成本低、节省人力的特点。

本发明的技术方案是：一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取装置，包括用于从种植土壤中初步提取重金属镉的第一提取装置，用于二次提取分离重金属镉的第二提取装置；

所述第一提取装置包括与农用车能够连接的移动车架，安装在所述移动车架上的采土提取装置，安装在所述移动车架上且位于采土提取装置前端的松土组件；

所述采土提取装置包括土壤预处理组件，设置在移动车架上向土壤预处理组件进料端提供土壤的上料装置，安装在移动车架上用于在土壤预处理组件出料端采集土壤的电解取土装置；

所述土壤预处理组件包括用于连接上料装置、电解取土装置的第一运输组件，安装在所述第一运输组件上用于调节土壤pH与土壤湿度的调节组件；

所述电解取土装置包括与第一运输组件出料端连接的集料槽，设置在集料槽底端的第二运输组件，用于对第二运输组件上土壤进行电解处理的电解转移组件，用于对电解转移组件处理后的土壤进行采集的取土组件；

所述电解转移组件包括位于第二运输组件正上方的调节架，安装在所述调节架上的电极，以及与所述电极电性连接的电源组件；所述调节架包括电解修复架，安装在电解修复架上用于调节电极间距的伸缩杆；所述电极包括安装在伸缩杆左侧的正极，安装在伸缩杆右侧的负极；

所述取土组件包括安装在电解修复架右侧的安装支架，多组排列设置在所述安装支架上的取土连杆，设置在安装支架上用于控制取土连杆在第二运输组件上取土的操纵机构，用于收集重金属土壤的存土箱；

所述第二提取装置包括与存土箱连接的反应罐，设置在所述反应罐内部的用于提取重金属镉的离心罐，设置在所述离心罐内壁的温控组件，设置在离心罐内部的温度传感器、pH检测器，设置在反应罐一侧的生物表面活性剂投放组件，设置在反应罐另一侧的碱液投放组件，用于向所述离心罐供水的供水装置，用于从离心罐内提取含镉液体的提取装置。

进一步地，所述取土连杆均包括连杆本体，设置在连杆本体前端的拨土板；所述连杆本体上端面设有齿条，以及位于齿条下方设有与齿条平行的滑槽；所述操纵机构包括伸缩端与滑槽连接的伸缩电机，设置在所述伸缩电机、滑槽连接处的滑动吊耳，设置在安装支架上且与齿条连接的动力齿轮，设置在所述动力齿轮两侧的夹持挡板，设置在安装支架上位于连杆本体下方的从动支撑轴；通过齿条与齿轮的配合、滑动吊耳与滑槽的配合、以及伸缩电机能够实现对连杆本体的控制，能够快速准确的将第二运输组件上重金属土壤移送至存土箱内。

进一步地，所述移动车架包括用于安装松土组件、上料装置的第一车架，用于安装土壤预处理组件、电解取土装置的第二车架，设置在第一车架与农用车连接的连接件，以及设置在第二车架上的车轮；连接件的设置能够实现与农用车的连接，通过与农用车连接能够大大提高第一提取装置对水稻及小麦种植土壤的处理效率，能够适用于大规模农场田地，具备操作简便、实用性强的特点。

进一步地，所述松土组件包括安装在第一车架上的松土滚轴，固定安装在所述松土滚轴上的松土犁刀，设置在所述第一车架上为松土滚轴提供动力的松土动力组件；松土犁刀的设置能够将土壤破碎，使土壤块状结构变小，一方面便于上料装置上料，另一方面有利于使土壤在土壤运输带表面保持均匀平整。

进一步地，所述调节组件包括分别用于向第一运输组件土壤喷淋酸性溶液、碱性溶液的第一喷淋器、第二喷淋器，以及用于检测土壤pH、湿度的土壤pH检测器、土壤湿度检测器；第一喷淋器、第二喷淋器的设置能够通过喷淋酸、碱等电解质溶液一方面实现对土壤pH的调节控制，另一方面实现对土壤含水量的调节，有效提高电解转移组件通电后重金属镉的迁移速率。

进一步地，所述上料装置包括上料滚筒，安装在所述上料滚筒向土壤运输带上料的上料铲，用于向上料滚筒提供动力的上料动力组件；通过上料滚筒带动上料铲的旋转能够将土壤卷送至爬坡运输带上，该上土结构简单，故障率低，便于生产与维护。

进一步地，所述碱液投放组件包括碱液储存罐，与所述碱液储存罐连接且与离心罐连通的第一喷头，设置在所述喷头与碱液储存罐连接处的动力单元；动力单元能够将碱液储存罐内的碱液从喷头压出，结合pH检测器能够完成对反应罐内的pH调节，确保在有效的pH环境下实现对重金属镉的提取，有利于确保较高的提取率。

进一步地，所述供水装置包括储水腔体，与所述储水腔体连接向离心罐供水的第二喷头，设置在第二喷头与所述储水腔体连接处的流量阀、供水负压泵；供水装置能够确保实现指定的水土比，确保反应的高效进行，从而提取出更多的重金属镉。

进一步地，所述提取装置包括镉溶液储箱，与所述镉溶液储箱连接且位于所述离心罐中心的负压取液管，以及设置在镉溶液储箱、负压取液管连接处的取液负压泵；镉溶液储箱能够对分离出的大量含镉溶液进行存储，设置在离心罐中心的负压取液管能够在离心罐旋转过程中将中心的含镉溶液取出，方便高效，且杂质较少。

进一步地，利用所述重金属镉的提取装置提取重金属镉的方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤预处理

松土组件对土壤破碎后上料装置将土壤送至第一运输组件上，调节组件向第一运输组件上喷淋电解质溶液，使土壤含水率为20％～26％，pH为4～5；

步骤二、土壤再处理

对步骤一预处理后的土壤通过电解转移组件进行电解处理；再利用电源组件向正极、负极提供2.5～3A的电流进行电解处理10～15min；然后取土连杆将重金属土壤采集至存土箱；

步骤三、分离重金属镉

将电解处理后存土箱内的土壤转移至第二提取装置对重金属镉进行提取处理；利用供水装置向离心罐中添加与土壤比例为3～10ml：1g的水，得到混合物；利用生物表面活性剂投放组件向的混合物中投加与混合物比例为2～5mg/ml的鼠李糖脂生物表面活性剂；然后通过碱液投放组件调节pH调节至7～10，再在35～40℃、3000～5000r/min的条件下离心处理10～20min后；再在35℃、1000r/min的条件下利用负压取液管对含重金属镉的溶液进行抽取，完成镉与土壤的分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：相较于传统对土地进行翻耕不提取的处理方法，本发明提供的第一提取装置能够在种植土壤上对重金属镉进行提取，机械化程度高，处理高效能够适应于大规模农田、稻田；第二提取装置能够对重金属镉进行进一步提取与分离，是重金属镉与土壤从根本上实现分离。

本发明提供的第一提取装置利用电动修复的原理，通过对土壤通入直流电实现重金属离子在土壤中的迁移，再利用取土装置对含镉量较大的土壤进行收集，利用第二提取装置实现对这部分土壤中重金属镉的提取。

本发明提供的提取方法依托第一提取装置、第二提取装置，能够对水稻及小麦种植土壤污染程度实现显著的改善，该方法成本较低、节省人力、处理效率高，能够从根本上从土壤中提取处重金属镉。

附图说明

图1是本发明实施例1第一提取装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1土壤运输带、电解取土装置的结构示意图；

图3是本发明实施例1取土连杆的结构示意图；

图4是本发明实施例1操纵机构的结构示意图；

图5是本发明实施例1第二提取装置的结构示意图；

其中，1-移动车架、11-第一车架、12-第二车架、13-连接件、2-松土组件、21-松土滚轴、3-采土提取装置、4-土壤预处理组件、41-调节组件、42-第一运输组件、5-上料装置、51-上料滚筒、52-上料铲、6-电解取土装置、60-第二运输组件、61-集料槽、62-电解修复架、63-伸缩杆、64-安装支架、65-取土连杆、651-齿条、652-滑槽、66-操纵机构、661-伸缩电机、662-滑动吊耳、663-齿轮、664-夹持挡板、665-从动支撑轴、67-存土箱、7-第二提取装置、71-反应罐、72-离心罐、73-温控组件、74-供水装置、75-提取装置、751-镉溶液储箱、752-负压取液管。

具体实施方式

实施例1：如图1所示的一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取装置，包括用于从种植土壤中初步提取重金属镉的第一提取装置，用于二次提取分离重金属镉的第二提取装置7；

如图1所示，第一提取装置包括与农用车能够连接的移动车架1，安装在移动车架1上的采土提取装置3，安装在移动车架1上且位于采土提取装置3前端的松土组件2；

如图1所示，采土提取装置3包括土壤预处理组件4，设置在移动车架1上向土壤预处理组件4进料端提供土壤的上料装置5，安装在移动车架1上用于在土壤预处理组件4出料端采集土壤的电解取土装置6；

如图2所示，土壤预处理组件4包括用于连接上料装置5、电解取土装置6的第一运输组件42，安装在第一运输组件42上用于调节土壤pH与土壤湿度的调节组件41；

如图2所示，电解取土装置6包括与第一运输组件42出料端连接的集料槽61，设置在集料槽61底端的第二运输组件60，用于对第二运输组件60上土壤进行电解处理的电解转移组件，用于对电解转移组件处理后的土壤进行采集的取土组件；

如图2所示，电解转移组件包括位于第二运输组件60正上方的调节架，安装在调节架上的电极，以及与电极电性连接的电源组件；调节架包括电解修复架62，安装在电解修复架62上用于调节电极间距的伸缩杆63；电极包括安装在伸缩杆63左侧的正极，安装在伸缩杆63右侧的负极；

如图2、3所示，取土组件包括安装在电解修复架62右侧的安装支架64，6组排列设置在安装支架64上的取土连杆65，设置在安装支架64上用于控制取土连杆65在第二运输组件60上取土的操纵机构66，用于收集重金属土壤的存土箱67；

如图5所示，第二提取装置7包括与存土箱67连接的反应罐71，设置在反应罐71内部的用于提取重金属镉的离心罐72，设置在离心罐72内壁的温控组件73，设置在离心罐72内部的温度传感器、pH检测器，设置在反应罐71一侧的生物表面活性剂投放组件，设置在反应罐71另一侧的碱液投放组件，用于向离心罐72供水的供水装置74，用于从离心罐72内提取含镉液体的提取装置75。

如图4所示，取土连杆65均包括连杆本体，设置在连杆本体前端的拨土板；连杆本体上端面设有齿条651，以及位于齿条651下方设有与齿条651平行的滑槽652；操纵机构66包括伸缩端与滑槽652连接的伸缩电机661，设置在伸缩电机661、滑槽652连接处的滑动吊耳662，设置在安装支架64上且与齿条651连接的动力齿轮663，设置在动力齿轮663两侧的夹持挡板664，设置在安装支架64上位于连杆本体下方的从动支撑轴665。

如图1所示，移动车架1包括用于安装松土组件2、上料装置5的第一车架11，用于安装土壤预处理组件4、电解取土装置6的第二车架12，设置在第一车架11与农用车连接的连接件13，以及设置在第二车架12上的车轮。

如图1所示，松土组件2包括安装在第一车架11上的松土滚轴21，固定安装在松土滚轴21上的松土犁刀，设置在第一车架11上为松土滚轴21提供动力的松土动力组件。

调节组件包括分别用于向土壤运输带42土壤喷淋酸性溶液、碱性溶液的第一喷淋器、第二喷淋器，以及用于检测土壤pH、湿度的土壤pH检测器、土壤湿度检测器。

如图1所示，上料装置5包括上料滚筒51，安装在上料滚筒51向土壤运输带42上料的上料铲52，用于向上料滚筒51提供动力的上料动力组件。

碱液投放组件包括碱液储存罐，与碱液储存罐连接且与离心罐72连通的第一喷头，设置在喷头与碱液储存罐连接处的动力单元。

供水装置74包括储水腔体，与储水腔体连接向离心罐72供水的第二喷头，设置在第二喷头与储水腔体连接处的流量阀、供水负压泵。

如图5所示，提取装置75包括镉溶液储箱751，与镉溶液储箱751连接且位于离心罐72中心的负压取液管752，以及设置在镉溶液储箱751、负压取液管752连接处的取液负压泵。

其中，取液负压泵、流量阀、供水负压泵、动力单元、温度传感器、pH检测器、松土动力组件、土壤pH检测器、土壤湿度检测器、第一运输组件42、第二运输组件、上料动力组件、电源组件、温控组件73、第一喷淋器、第二喷淋器均采用市售组件。

利用本实施例土壤重金属镉提取装置提取镉的方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤预处理

松土组件2对土壤破碎后上料装置5将土壤送至第一运输组件42上，利用第一喷淋器、第二喷淋器向第一运输组件42上的待处理土壤喷淋电解质溶液，使土壤含水率达到20％，pH为4，完成预处理；

步骤二、土壤再处理

对步骤一预处理后的土壤通过第一运输组件42输送进集料槽61；利用伸缩杆63调节正极、负极的间距为1m，再利用电源组件向正极、负极提供2.5A的电流进行电解处理10min；然后利用取土连杆65将重金属土壤采集至存土箱67后，第一运输组件60将剩余的土壤排出；

步骤三、分离重金属镉

将电解处理后存土箱67内的土壤转移至第二提取装置7对重金属镉进行提取处理；利用供水装置74向离心罐71中添加与土壤比例为3ml：1g的水，得到混合物；利用生物表面活性剂投放组件向的混合物中投加与混合物比例为2mg/ml的鼠李糖脂生物表面活性剂；然后通过碱液投放组件调节pH调节至7，再在35℃、3000r/min的条件下离心处理10min后；再在35℃、1000r/min的条件下利用负压取液管752对含重金属镉的溶液进行抽取，完成镉与土壤的分离。

需要说明的是：本实施例还包括控制器单元，所述控制器单元采用市售的PLC控制器，用于对取液负压泵、流量阀、供水负压泵、动力单元、温度传感器、pH检测器、松土动力组件、土壤pH检测器、土壤湿度检测器、第一运输组件42、第二运输组件、上料动力组件、电源组件、温控组件73、第一喷淋器、第二喷淋器进行控制；在此不进行赘述。

实施例2：与实施例1不同的是，一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤预处理

松土组件2对土壤破碎后上料装置5将土壤送至第一运输组件42上，调节组件向第一运输组件42上喷淋电解质溶液，使土壤含水率为26％，pH为5；

步骤二、土壤再处理

对步骤一预处理后的土壤通过第一运输组件42输送进集料槽61；利用伸缩杆63调节正极、负极的间距为1m，再利用电源组件向正极、负极提供3A的电流进行电解处理15min；然后利用取土连杆65将重金属土壤采集至存土箱后，第一运输组件60将剩余的土壤排出；

步骤三、分离重金属镉

将电解处理后存土箱67内的土壤转移至第二提取装置7对重金属镉进行提取处理；利用供水装置74向离心罐71中添加与土壤比例为10ml：1g的水，得到混合物；利用生物表面活性剂投放组件向的混合物中投加与混合物比例为5mg/ml的鼠李糖脂生物表面活性剂；然后通过碱液投放组件调节pH调节至10，再在40℃、5000r/min的条件下离心处理20min后；再在35℃、1000r/min的条件下利用负压取液管752对含重金属镉的溶液进行抽取，完成镉与土壤的分离。

实施例3：与实施例1不同的是，一种水稻及小麦种植土壤中重金属镉的提取方法，包括以下步骤：

步骤一、土壤预处理

松土组件2对土壤破碎后上料装置5将土壤送至第一运输组件42上，调节组件向第一运输组件42上喷淋电解质溶液，使土壤含水率为23％，pH为4.5；

步骤二、土壤再处理

对步骤一预处理后的土壤通过第一运输组件42输送进集料槽61；利用伸缩杆63调节正极、负极的间距为1m，再利用电源组件向正极、负极提供2.5A的电流进行电解处理13min；然后利用取土连杆65将重金属土壤采集至存土箱67后，第一运输组件60将剩余的土壤排出；

步骤三、分离重金属镉

将电解处理后存土箱67内的土壤转移至第二提取装置7对重金属镉进行提取处理；利用供水装置74向离心罐71中添加与土壤比例为6ml：1g的水，得到混合物；利用生物表面活性剂投放组件向的混合物中投加与混合物比例为3.5mg/ml的鼠李糖脂生物表面活性剂；然后通过碱液投放组件调节pH调节至8，再在37℃、4000r/min的条件下离心处理15min后；再在35℃、1000r/min的条件下利用负压取液管752对含重金属镉的溶液进行抽取，完成镉与土壤的分离。