硫酸锌改性坡缕石对土壤重金属的钝化修复效应
作者单位：兰州交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：陶玲;王刚
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：工业经济的快速发展给土壤环境带来了严峻挑战,重金属在土壤环境中富集、迁移经食物链传递,给人们的舌尖安全造成了严重危害。为了最大程度降低土壤重金属的生物有效性,修复重金属污染的农田土壤,本研究利用甘肃储量丰富的矿产资源-坡缕石作为原料,因为坡缕石具有独特的层链结构,以比表面积大,孔隙率高而呈现出的高吸附性能对于重金属的化学钝化具有重要作用;以农业广泛使用的无机锌肥-硫酸锌作为组配改性材料,将硫酸锌与坡缕石分别以0:1、1:3、1:5、1:7、1:9、1:11的质量比混合,以液相浸渍、超声,制备得到第一类钝化剂。优化条件延长反应时间,高温煅烧制备得到第二类钝化剂。对钝化剂进行X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)进行表征。将优化前后的两类钝化剂分别加入到模拟Cd污染土壤和实际重金属污染土壤中,开展钝化实验,测定土壤电导率(EC)、pH、阳离子交换量(CEC)等理化指标,利用二乙基三胺五乙酸(DTPA)、毒性浸出方法(TCLP)测定土壤重金属的有效态含量,利用BCR连续提取法测定重金属的酸溶态、还原态、氧化态、残渣态含量;开展盆栽实验,测定作物的生长状况,如茎长、根长、鲜质量及干质量、作物中重金属的含量;开展萌发实验,测定重金属的水溶状态下的种子胚芽、胚根长度,发芽率。通过以上实验探讨硫酸锌改性坡缕石对模拟土壤中Cd和实际污染土壤中重金属(Cd、Pb、Cu、Cr、Ni、Zn)的钝化修复效应。结果表明:(1)硫酸锌与坡缕石的浸渍反应时间由4 h延长至12 h时,同时高温煅烧(350℃-400℃)2 h后的钝化剂表面分散均匀,棒状结构混乱,可能生成了新的化学基团,增强了坡缕石的配位效果。(2)经钝化后的模拟Cd土壤pH较对照下降了0.21-0.62个单位,土壤EC值较对照上升了1.88-2.9倍,土壤CEC值较对照上升0.71%-6.20%,其中硫酸锌与坡缕石的质量比为1:3时,土壤理化性质变化最显著。实际重金属土壤理化性质与模拟Cd土壤的变化趋势一致,其中硫酸锌与坡缕石的质量比为1:9到1:11之间时,土壤理化性质变化最显著。(3)钝化后的模拟土壤Cd的DTPA有效态含量最大降幅为32.77%,TCLP有效态含量最大降幅为35.65%,硫酸锌与坡缕石配比为1:3时,对Cd的钝化效果最佳。钝化后的实际污染土壤重金属的DTPA和TCLP有效态含量降低显著,DTPA提取态的Cd最大降幅为12.69%、Pb最大降幅为11.98%、Cu最大降幅为13.20%、Cr最大降幅为41.53%、Ni最大降幅为20.97%,Zn最大降幅为4.83%,其中降低次序为CrNiCuCdPbZn;TCLP提取态的Cd最大降幅为31.11%、Pb最大降幅为15.49%、Cu最大降幅为18.70%、Cr最大降幅为6.47%、Ni最大降幅为28.93%、Zn最大降幅为4.84%。在硫酸锌与坡缕石质量比为1:9时,对Cd、Pb、Cu、Cr、Ni五种重金属的有效态含量降低最显著。(4)钝化后的模拟土壤Cd的化学形态变化显著,Cd的残渣态较对照增加了2.59%-31.52%,硫酸锌与坡缕石配比为1:3时,对Cd的化学活性具有明显抑制作用。同样钝化后的实际土壤大部分重金属的化学形态由活性较高的酸溶态向活性较低的残渣态转变,Cd的残渣态较对照上升了42.12%-116.14%,Pb的残渣态较对照上升了4.14%-58.05%,Cu的残渣态较对照上升了20.83%-29.65%,Cr的残渣态较对照上升了35.92%-52.75%,Ni的残渣态较对照上升了5.97%-9.78%,Zn的残渣态较对照下降了25.23%-33.59%。在硫酸锌与坡缕石的质量比为1:9时,对Zn以外的5种重金属的化学活性抑制能力最强。(5)钝化土壤中玉米的茎、根部长度增幅明显,玉米的茎、根部鲜质量与干质量明显提升。在硫酸锌与坡缕石的质量比为1:3时,玉米茎部对Cd的富集降幅为60.06%,对根部Cd的降幅为32.69%,明显缓解了Cd对玉米的胁迫生长。钝化后的土壤水溶液种子发芽率、胚芽长、胚根长显著提升,硫酸锌与坡缕石的质量比为1:9时,种子发芽率达到91.67%,胚芽长度、胚根长度均达到最大值,分别较对照组增加了115%、75.71%。可见适量的添加硫酸锌有利于促进种子的生长发育,减轻重金属对种子的毒害作用。(6)模拟土壤Cd的钝化效率在30%左右,生态风险指数显著降低,其潜在生态风险指数最大降幅为30.44%,Cd的风险范围由中高风险降为中风险。实际土壤Cd、Pb、Cr、Ni、Cu的钝化效率均较对照组增加,这些重金属的生态风险指数均较对照土壤显著降低,Pb、Cu、Cr、Ni的潜在生态风险值均处于低风险范围,Cd由中高风险降为中等风险范围,Zn由于额外加入的硫酸锌并没有导致其风险范围扩大,仍处于低风险范围。通过优化反应条件,经过高温煅烧后的材料硫酸锌用量少,钝化效果较好,可作为钝化土壤重金属的材料之一,可有效降低重金属在土壤环境中的风险,为农田土壤安全提供保障,同时也为坡缕石在土壤领域的广泛利用提供了新途径。
同方学位论文库