【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于土壤改良，具体而言，涉及一种可持续仿生土及其制备方法与应用。
技术介绍
1、煤矸石的原位大量处置一直是煤炭开采和加工过程中的难点问题之一。据统计，2022年，我国原煤产量约占全球煤炭产量的51.8％，为45.6亿吨，其中煤矸石产量约6.84亿吨。截止当前，我国累计煤矸石存量约60亿吨，未经处置的煤矸石堆积会造成严重的环境问题。例如，长期堆积淋溶导致的煤矸石中的重金属富集会增加人体和动物的健康风险，煤矸石自燃会引起大气污染，非饱和煤矸石山失稳造成的滑坡等工程地质灾害。目前煤矸石利用技术主要集中在：与煤共掺烧发电、制备建筑和路基材料、化工新材料和高附加值金属提取等方向，这些解决思路在我国经济发达的东部地区具有足够的市场前景，但不适用于煤矸石产量更大、对建材需求较小的偏远西北地区。尽管现有的煤炭开采技术针对井底煤矸石充填做出了一系列的优化，但其存在的问题，包括矸石消耗量有限、影响采煤过程效率并不能解决煤矸石产量很大的根本性问题。因此，开发煤矸石原位大量利用的技术迫在眉睫。
2、土地复垦是煤矸石原位大量处置的最佳选择之一，其主要方法是通过在煤矸石填埋前铺设低渗透率的底层防渗层，或者在堆场表面覆土以隔绝煤矸石，该方法已经取得了良好的成果。然而，传统的填埋方式没有考虑煤矸石整体物质和外界的扩散输送，在较长的堆存时间后(如几十年)环境风险突出，主要原因是：第一，煤矸石内部仍然存有大量孔隙，长期堆积发热极易自燃；第二，复垦过程中防渗层破损或覆土不足导致煤矸石中pb、as等重金属浸出；第三，复垦后的土层缺乏天然土壤的结构
3、本专利技术针对传统煤矸石复垦覆土生态风险高的问题，提出以矿区煤基固废为原料制备仿生土固化剂，改性原位土壤以达到最佳的土工、环境和水分运移功能。已有研究证明，利用波特兰水泥(po)和煤基固废(如粉煤灰、脱硫石膏)的化学性质和矿物学性质协同作用，可制备高强度的胶凝材料；其潜在的水化产物包括水化硅酸钙(c-s-h)和钙矾石(aft)等，在填充土体孔隙改善土壤孔隙结构、提高力学性能的同时，对重金属也有非常好的吸附，包封和离子交换作用。聚丙烯酰胺pam作为典型的高吸水性聚合物，由于其分子表面存在的-oh，-cooh和-conh等亲水性基团，不仅可以促进土壤团聚体的生成，也能提升土壤重金属吸附能力，在构建土壤-水泥地下屏障的工程应用中已取得了很好的效果。因此，多外加剂联用改性后的原位土壤，用于和矸石共同构建新的深层土壤层有极大的潜力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种可持续仿生土及其制备方法与应用。本专利技术的可持续仿生土为煤矸石的原位大量处置和资源化利用提供了有效解决方案。
2、本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
3、本专利技术的一个方面提供了一种可持续仿生土，按照重量百分比计，所述仿生土包括：粉土和固化剂，所述固化剂为所述粉土质量的6～8％；所述固化剂包括固化剂i和固化剂ii，所述固化剂ii为所述粉土质量的0～1‰。
4、在本专利技术的一个优选实施例中，所述固化剂i包括：水泥、粉煤灰份以及脱硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脱硫石膏的质量比为(10～12)：(6～10)：(1～5)。
5、在本专利技术的一个优选实施例中，所述固化剂ii为聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000万之间。
6、本专利技术的另一个方面还提供了一种如前所述的可持续仿生土的制备方法，所述方法包括以下步骤：
7、s1：制备固化剂i：将水泥、粉煤灰以及脱硫石膏烘干后按照比例混合均匀；
8、准备固化剂ii：聚丙烯酰胺，分子量为1000～2000万；
9、s2：制备仿生土：首先将固化剂ii溶于水中得到固化剂ii的水溶液，然后依次加入粉土和固化剂i，搅拌均匀得到混合料，将所得混合料依次经过注模制样、养护及脱模，得到可持续仿生土成品。
10、在本专利技术的一个优选实施例中，步骤s1中，所述烘干条件为：80～120℃，时间1～3h。
11、在本专利技术的一个优选实施例中，步骤s1中，所述固化剂ii为聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000万之间。
12、在本专利技术的一个优选实施例中，步骤s2中，所述水按照与粉土质量比1:2的量加入。
13、在本专利技术的一个优选实施例中，步骤s2中，所述搅拌条件为：转速57～67r/min，时间5～15min。
14、在本专利技术的一个优选实施例中，步骤s2中，所述养护过程为：先在自然条件下养护20～26h，然后在温度18～22℃、湿度94～96％下养护。
15、本专利技术的又一个方面还提供了一种根据如前所述的可持续仿生土在煤矸石的资源化复垦中的应用。
16、借由上述技术方案，本专利技术至少具有下列优点：
17、本专利技术以煤基固废和水泥等为原料制备了一种新型无机固化剂isa，同时研究了其在不同掺量下和固化剂ii聚丙烯酰胺pam联用对仿生土环境特性的影响。通过设计土壤蒸发实验、土水特征曲线测试和土壤重金属浸出实验完成了土壤土工、生态和环境性能评价，采用mip、tg-dsc、xrd、sem-eds对经过固化剂isa和固化剂ii固化后仿生土进行了结构表征。结果表明：固化剂isa的掺入显著提高了原位土壤的无侧限抗压强度和比重等土工性能，粒径分析提示固化剂isa提高了土壤黏粒和粉粒的占比。土壤土水特征实验、水分蒸发实验和压汞实验结果表明固化剂isa的掺量可以在维持土壤双峰结构的同时确保了较好的保水能力。
18、根据本专利技术得到的可持续仿生土对重金属pb、zn、cu和as具有良好的固化稳定化效果，固化剂ii的pam颗粒和固化剂isa的水化产物不仅可以填充土壤孔隙、提升土壤强度，还可以完成对重金属的吸附，包封和固定。本专利技术所制备的可持续仿生土为我国西北矿区煤矸石的原位大量处置和资源化利用提供了有效解决方案。
19、上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。
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1.一种可持续仿生土，其特征在于，所述仿生土包括：粉土和固化剂，所述固化剂为所述粉土质量的6～8％；所述固化剂包括固化剂I和固化剂II，所述固化剂II为所述粉土质量的0～1‰。
2.根据权利要求1所述的可持续仿生土，其特征在于，所述固化剂I包括：水泥、粉煤灰份以及脱硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脱硫石膏的质量比为(10～12)：(6～10)：(1～5)。
3.根据权利要求1所述的可持续仿生土，其特征在于，所述固化剂II为聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000万之间。
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述烘干条件为：80～120℃，时间1～3h。
6.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述固化剂II为聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000万之间。
7.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤S2
8.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述搅拌条件为：转速57～67r/min，时间5～15min。
9.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述养护过程为：先在自然条件下养护20～26h，然后在温度18～22℃、湿度94～96％下养护。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的可持续仿生土在煤矸石的资源化复垦中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种可持续仿生土，其特征在于，所述仿生土包括：粉土和固化剂，所述固化剂为所述粉土质量的6～8％；所述固化剂包括固化剂i和固化剂ii，所述固化剂ii为所述粉土质量的0～1‰。
2.根据权利要求1所述的可持续仿生土，其特征在于，所述固化剂i包括：水泥、粉煤灰份以及脱硫石膏；所述水泥、粉煤灰以及脱硫石膏的质量比为(10～12)：(6～10)：(1～5)。
3.根据权利要求1所述的可持续仿生土，其特征在于，所述固化剂ii为聚丙烯酰胺，所述聚丙烯酰胺分子量在1000～2000万之间。
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的可持续仿生土的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述烘干条件为：80～12...
【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，杨康，陈雨航，陈梦圆，吴豪楠，冯少凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
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