几种材料对重金属Cu污染土壤的修复

论文摘要

重金属污染是土壤污染的主要类型之一,它们或者由植物吸收进入食物链,或者因渗漏作用而进入地下水,对人类和生态环境的健康发展造成了极大的威胁。因此,土壤重金属污染的修复治理是社会各界人士关心的热点和当今环境污染防治的重点问题,也是目前众多科学工作者关注的焦点,由于化学修复的操作较简单,效果明显,因此作为一种常见的修复方法得到了普遍应用。Cu既是环境污染的重金属元素,也是植物生长发育的必需微量营养元素之一,本课题以可变电荷红壤和恒电荷黄棕壤为供试土壤,以外源铜加入未污染红壤和黄棕壤中,在实验室人培污染红壤、黄棕壤和大冶自然污染红壤为供试土壤,选用了磷矿粉,高炉钢渣,高炉铁渣,Na-基膨润土,硅藻土以及各自的改性产物为钝化材料,以欧共体标准物质局（European Communities Bureau of Reference）提出了一种三步提取法（简称BCR法）为基础的改性BCR法对各形态Cu的变化进行综合分析,并从材料类型和用量、温度以及土壤的类型、pH值、介质浓度和淹水条件来分析对土壤重金属Cu形态转化的影响,旨在为土壤重金属Cu的修复提供理论和技术支持。试验结果表明：1.磷矿粉、膨润土、硅藻土对土壤重金属Cu有一定的钝化作用,但材料经不同的试剂改性后发现：改性磷矿粉在短期内对土壤Cu的吸附能力比原矿粉稍差,磷矿粉8%用量可溶态降幅为25.96%,残渣态增幅为82.55%,改性磷矿粉可溶态变化不显著,残渣态增幅达到77.07%。膨润土和硅藻土改性后对土壤Cu的钝化能力有了显著的提高,10%用量时可溶态降幅分别达到79.08%和47.52%,残渣态增幅为78.06%和72.85%。高炉钢渣比高炉铁渣对Cu的钝化能力有很大提高,钢渣10%用量时可溶态降幅为21.22%,残渣态增幅为29.67%。2.筛选后的改性磷矿粉A2、高炉钢渣B2、改性膨润土C2和改性硅藻土D2对土壤（R1、R2、R3）经过综合实验后发现,改性膨润土对三种土壤重金属Cu的钝化能力最好,在5%的处理下可溶态Cu降幅分别达到了84.47%、92.36%、91.02%,还原态降幅分别达到了93.24%、76.58%、91.57%,氧化态增幅分别为121.06%、299.19%、246.70%,残渣态增幅达到146.20%、140.72%、93.46%。极大程度降低了可溶态和还原态铜的含量,并增加了氧化态和残渣态铜的含量。3.土壤经外源铜人培30d后,恒电荷黄棕壤最接近自然污土中的Cu形态分布,但人培污土可溶态Cu含量偏高。四种材料对重金属Cu的钝化效果随着培养时间延长而增强。在5%改性膨润土的处理中可溶态含量是逐渐降低的,降幅为0.34%和16.16%,残渣态降幅和增幅分别为9.83%和38.96%,说明材料对Cu的吸附有一个缓冲和平衡过程。随着温度从室温增加到35℃,可溶态含量也呈现下降趋势,残渣态含量逐渐上升,0.1%用量时,土壤R1可溶态降幅为24.16%和3.02%；5%用量时残渣态Cu含量为45.95%、48.20%、49.86%,增幅为4.90%和3.44%。4.随着改性膨润土用量的增大,土壤的pH值都是逐渐升高的,而且在酸性土壤中,水分的添加,也会提高土壤的pH值。随着pH值的升高,三种土壤对重金属的吸附能力逐渐增强,可溶态Cu含量逐渐降低,残渣态Cu含量逐渐升高,变化幅度为R3>R2>R1,三种土壤在pH值达到6时,可溶态最大降幅分别为9.93%、17.69%、41.97%,残渣态最大增幅为11.49%、13.33%、15.76%,恒电荷土壤黄棕壤的变化幅度比可变电荷土壤大,说明在相同的条件下,恒电荷黄棕壤对Cu的吸附能力大于可变电荷红壤。在淹水后,土壤处于还原条件下,三种土壤的氧化态Cu含量较正常条件下升高,其他三个形态都呈现降低趋势,但变化幅度都较小5.随着NaCl离子浓度的增加,三种土壤中可溶态Cu含量逐渐增加,残渣态Cu含量逐渐降低,并且变化幅度为R3>R2>R1。在0.1mol·L-1时可溶态增幅达到最大,分别为6.31%、24.31%、34.55%,残渣态降幅达到最大,分别为3.47%、3.72%、4.84%。可见随着离子强度增大,Na+与Cu2+发生竞争吸附,恒电荷和可变电荷土壤对重金属Cu的吸附能力都减弱,但恒电荷土壤的降幅较大。而且发现随pH和离子浓度升高,人培污土变化幅度都较大,说明外源铜在土壤中的老化是一个漫长的阶段,在人培污土中各形态Cu都不稳定,容易随外界条件的变化而变化。综上而述,材料经过改性后,对土壤重金属Cu的钝化能力都一定的提高,在所选四种材料中,以DTC改性膨润土的钝化效果最好,室温下5%用量培养60d后,可溶态含量分别为2.52%、4.13%、2.55%,还原态含量为2.92%、3.49%、2.90%,氧化态含量为48.62%、44.26%、51.45%,残渣态含量分别为45.95%、48.12%、43.09%,很大程度固定了土壤中Cu。随着时间的延长、温度和pH值的升高,都可提高了材料对土壤中Cu的固定,而随着介质浓度的增加,则反之。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 土壤中重金属的来源
• 1.1.1 固体废弃物
• 1.1.2 污水灌溉
• 1.1.3 农业生产
• 1.1.4 其他
• 1.2 土壤重金属污染的危害
• 1.2.1 土壤重金属污染对植物的危害
• 1.2.2 土壤重金属污染对动物及微生物的危害
• 1.2.3 土壤重金属污染对人体的危害
• 1.3 土壤重金属污染的修复技术
• 1.3.1 工程和物理修复
• 1.3.3 生物修复技术
• 1.3.3.1 植物修复技术
• 1.3.3.2 微生物修复技术
• 1.3.4 化学修复
• 1.3.4.1 磷酸盐改良剂
• 1.3.4.2 碱性改良剂
• 1.3.4.3 天然矿石改良剂
• 1.3.4.4 有机物和有机复合剂改良剂
• 1.4 影响土壤中重金属稳定性的环境条件
• 1.4.1 pH
• 1.4.2 含水量
• 1.4.3 培养时间
• 1.4.4 其他
• 1.5 重金属Cu污染土壤的修复进展
• 1.5.1 Cu的简介
• 1.5.2 Cu污染土壤的修复进展
• 1.5.2.1 Cu的生物修复
• 1.5.2.2 Cu的化学修复
• 1.6 影响Cu在土壤中稳定性的因素
• 1.6.1 环境因子
• 1.6.2 土壤理化性质
• 1.6.2.1 土壤组成
• 1.6.2.2 土壤pH
• 1.6.2.3 土壤中其它污染物与铜的交互作用
• 1.7 本课题的意义和可行性分析
• 第2章 材料与方法
• 2.1 试验思路
• 2.2 试验路线
• 2.3 试验材料
• 2.3.1 供试土壤
• 2.3.2 供试矿物材料
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 矿物材料改性
• 2.4.2 试验数据测定
• 2.4.3 试验设计
• 第3章 试验结果与分析
• 3.1 矿物材料的改性与筛选
• 3.1.1 磷矿粉及改性磷矿粉
• 3.1.1.1 施加磷矿粉对可溶态Cu含量的影响
• 3.1.1.2 施加磷矿粉对残渣态Cu含量的影响
• 3.1.1.3 磷矿粉和改性磷矿粉的红外图谱
• 3.1.1.4 磷矿粉和改性磷矿粉的XRD图谱
• 3.1.2 高炉钢渣及高炉铁渣
• 3.1.2.1 施加高炉钢渣和高炉铁渣对各形态铜含量的影响
• 3.1.2.2 高炉钢渣和高炉铁渣的红外图谱
• 3.1.2.3 高炉钢渣和高炉铁渣的XRD图谱
• 3.1.3 膨润土及改性膨润土
• 3.1.3.1 施加膨润土对各形态铜含量的影响
• 3.1.3.2 膨润土和改性膨润土的红外图谱
• 3.1.3.3 膨润土和改性膨润土的XRD图谱
• 3.1.4 硅藻土及改性硅藻土
• 3.1.4.1 施加硅藻土对各形态铜含量的影响
• 3.1.4.2 硅藻土和改性硅藻土的红外图谱
• 3.1.4.3 硅藻土和改性硅藻土的XRD图谱
• 3.2 矿物材料对三种土壤的修复试验
• 3.2.1 材料对三种土壤各形态Cu含量的影响
• 3.2.1.1 材料对自污土壤R1不同形态Cu含量的影响
• 3.2.1.2 材料对人培土壤R2不同形态Cu含量的影响
• 3.2.1.3 材料对人培土壤R3不同形态Cu含量的影响
• 3.2.2 土壤类型对四种材料修复污染效果的影响
• 3.2.2.1 土壤类型对改性磷矿粉修复效果的影响
• 3.2.2.2 土壤类型对高炉钢渣修复效果的影响
• 3.2.2.3 土壤类型对改性膨润土修复效果的影响
• 3.2.2.4 土壤类型对改性硅藻土修复效果的影响
• 3.2.3 温度对Cu土壤R1不同材料修复效果的影响
• 3.2.3.1 温度对Cu土壤R1改性磷矿粉修复效果的影响
• 3.2.3.2 温度对Cu土壤R1高炉钢渣修复效果的影响
• 3.2.3.3 温度对Cu土壤R1改性膨润土修复效果的影响
• 3.2.3.4 温度对Cu土壤R1改性硅藻土修复效果的影响
• 3.2.4 时间对Cu土壤R1不同材料修复效果的影响
• 3.2.4.1 时间对土壤R1改性磷矿粉修复效果的影响
• 3.2.4.2 时间对土壤R1高炉钢渣修复效果的影响
• 3.2.4.3 时间对土壤R1改性膨润土修复效果的影响
• 3.2.4.4 时间对土壤R1改性硅藻土修复效果的影响
• 第4章 条件对改性膨润土修复效果的影响
• 4.1 改性膨润土对土壤pH值的影响
• 4.2 pH值对改性膨润土的修复效果影响
• 4.3 电解质浓度对改性膨润土的修复效果影响
• 4.4 淹水条件对改性膨润土的修复效果影响
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录