聚合硫酸铁改性坡缕石对重金属污染土壤的修复效果
作者单位：兰州交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：任珺
授予年度：2022年
学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程]
摘 要：坡缕石由于其特殊的晶体结构及大比表面积,对重金属具有优异的吸附性能而被广泛应用于修复重金属污染的土壤。甘肃坡缕石储量丰富,但天然坡缕石中含有许多杂质,因此为了更好地发挥坡缕石的作用,需要对其进行改性。聚合硫酸铁是一种羟基聚合物,生产简便且廉价环保,具有较强的吸附、架桥性能。目前,将聚合硫酸铁改性坡缕石的材料用于重金属污染土壤修复的研究尚未有报道。因此,开展此类研究对于新型环境友好型钝化材料的开发具有重要意义。本研究以甘肃临泽的坡缕石为原料,依据协同增效的原理将聚合硫酸铁与坡缕石按不同质量比混合,其中聚合硫酸铁在混合体系中所占质量分数分别为5%,10%,15%,20%,25%,采用浸渍法制备出两种不同类型的聚合硫酸铁改性坡缕石钝化材料(PFS、APFS)。通过表征实验分析坡缕石经聚合硫酸铁改性前后的表面形貌、晶体结构及特征官能团的变化。将制备的两种钝化材料,以4%的添加量分别加入人工模拟Cd污染土壤和白银矿区重金属污染土壤中,通过室内钝化实验研究钝化材料对重金属污染土壤的理化性质、重金属的生物有效性及化学形态分布的影响;通过盆栽实验及种子萌发实验研究钝化材料对土壤中重金属生态毒性效应的影响。通过以上实验综合评估钝化材料对重金属污染土壤的修复效果。主要研究结果如下:(1)通过表征分析发现,经聚合硫酸铁改性后坡缕石材料表面变得粗糙、接触面积增大。聚合硫酸铁改性并未破坏坡缕石的晶体结构,而且红外光谱图中出现Fe-O和Fe-OH吸收峰,证明聚合硫酸铁改性成功。(2)钝化材料的添加能够改善土壤的理化性质。聚合硫酸铁改性坡缕石钝化材料较未改性的坡缕石相比,土壤的p H值、电导率(EC)和阳离子交换量(CEC)升高。与钝化Cd污染土壤理化性质相比,钝化矿区重金属污染土壤的p H、EC、CEC变化趋势基本一致但增幅减小。(3)钝化材料的添加能降低土壤中重金属的生物有效性。改性坡缕石材料对土壤中重金属的生物有效态(DTPA、TCLP萃取态)含量降低效果优于未改性坡缕石材料,不同的钝化材料对不同的重金属含量降低效果有差异。在人工模拟Cd污染土壤修复研究中,聚合硫酸铁在混合体系中所占质量分数为25%(PFS25)时DTPA、TCLP萃取态Cd含量均达到最小值,较对照组分别降低34.84%、25.03%。在白银矿区重金属污染土壤修复研究中,聚合硫酸铁在混合体系中所占质量分数为5%(APFS5)时土壤中DTPA、TCLP萃取态的Cd、Ni、Zn含量均达到最小值。聚合硫酸铁在混合体系中所占质量分数为25%(APFS25)时土壤中DTPA、TCLP萃取态的Cu、Pb含量均达到最小值。(4)钝化材料的添加对土壤中重金属的化学形态变化影响显著,钝化土壤中重金属均呈现由活性较高的酸溶态向更加稳定的残渣态转变。人工模拟Cd污染土壤修复研究表明,PFS25处理时Cd的形态转化最明显。白银矿区重金属污染土壤修复研究表明,APFS5钝化材料对Cd、Ni、Zn的形态转化影响较大,APFS25钝化材料对Cu、Pb的形态转化影响较大。APFS25处理时Cu的酸溶态、残渣态组分占比分别为0.66%、69.49%,实现由酸溶态向残渣态的最大转化。(5)钝化材料的添加能有效降低土壤中重金属的生态毒性。盆栽实验结果表明,钝化材料能促进玉米生长并显著降低玉米体内的Cd含量,其中PFS25处理效果最好。玉米种子萌发实验结果表明,钝化材料能显著提高玉米种子的萌发率和根伸长率,其中APFS5、APFS25处理效果较好。(6)聚合硫酸铁改性坡缕石钝化材料对土壤中重金属的钝化效果较好。人工模拟Cd污染土壤修复研究表明,PFS25处理对Cd的钝化效果最好。白银矿区重金属污染土壤修复研究表明,APFS5处理时Cd、Ni、Zn的钝化效率达到最高,APFS25处理时Cu、Pb的钝化效率最高。(7)钝化材料的添加能够降低土壤中重金属的环境风险。人工模拟Cd污染土壤修复研究表明,施加钝化材料后土壤中Cd的环境风险由高风险水平降到中等风险,PFS25钝化土壤中Cd的环境风险指数、生态风险指数均降至最小。白银矿区重金属污染土壤修复研究表明,APFS5钝化土壤中Cd、Ni的环境风险等级均下降。APFS25钝化土壤中Cu的环境风险由低风险变为无环境风险。添加钝化材料后,Zn、Pb的环境风险指数虽显著下降,但环境风险等级并未降低。聚合硫酸铁改性坡缕石的钝化材料可有效降低土壤中重金属的生态毒性效应,对重金属有较好的钝化效果,且原料易得、制作简便、廉价环保,具有开发应用的前景。
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