生物炭-羟基磷灰石复合材料对铅锌矿区土壤镉、铅和锌的钝化修复研究

作     者：刘一民 

作者单位：贵州师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王济;蔡雄飞

授予年度：2023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] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：重金属 复合材料 钝化修复 铅锌矿区 

摘      要：土壤是人类生存发展的基础,修复和改良重金属污染土壤是人们当前亟待解决的环境问题。我国矿产资源丰富,在矿产资源的开发利用过程中,不仅造成了植被破坏等生态环境问题,工矿企业“三废的排放还造成矿区周边土壤严重的重金属污染。由于土壤中重金属元素形态多变、容易在生物体内富集以及难于被降解而消除等特征,所以土壤重金属污染修复治理十分困难。生物炭具有比表面积大、孔隙结构发达、官能团丰富以及偏碱等特点,常用来吸附与固化土壤中的重金属。研究表明单一种类的生物炭对土壤重金属污染修复效果有限,而生物炭与其他钝化剂组合成复合材料可以提升土壤修复效果。据此本研究以黔西北铅锌矿区Cd、Pb和Zn污染土壤为修复对象,以羟基磷灰石(H)与玉米秸秆炭(M)、核桃壳炭(W)为原材料,将羟基磷灰石分别与玉米秸秆炭、核桃壳炭按质量比为1:4(记为HMA、HWA)、1:2(记为HMB、HWB)和1:1(记为HMC、HWC)混合后再经高温活化制备成6种复合材料,分别将每种复合材料以1%、2%和4%的比例添加至污染土壤中进行钝化修复试验,主要研究结论如下:(1)羟基磷灰石主要含有PO与-OH两种官能团,生物炭中的官能团主要为-OH、C-H、C-O、C=O和C=C;羟基磷灰石在扫描电镜下为小颗粒圆球构造,表层有较多规则孔隙,生物炭则以块状结构为主,有明显层理和孔隙,经过高温活化后,HWA(HWB、HWC)复合材料的孔隙增大,表面更为粗糙;通过X射线衍射(XRD)分析,羟基磷灰石主要由Ca(PO)OH构成,玉米秸秆炭的矿物组分主要为SiO和KCl,核桃壳炭中SiO和Ca CO的含量较多。(2)土壤pH随钝化剂添加时间的延长而提升,复合材料处理后的土壤pH高于单一材料,在4%的添加比例时达到最大;玉米秸秆炭在4%添加量处理40 d后土壤电导率(EC)提升量最显著,为158.3μs·cm;施加单一钝化剂时,土壤阳离子交换量(CEC)随时间延长而逐渐增大,土壤的保水保肥能力明显提升;单施钝化剂处理中土壤有机质(SOM)含量均有不同程度的提升,HMA在添加比例为1%时对SOM含量的提升效果较好,HWB在添加比例为1%和4%时提升效果较显著。(3)添加钝化剂后土壤中有效态DTPA-Cd和DTPA-Zn含量大体上呈现出降低的趋势,在钝化70 d后部分处理的DTPA-Pb含量有所增大,有效态含量随时间的延长均有增加的趋势,质量比为1:4(HMA、HWA)和1:2(HMB、HWB)的复合材料对DTPA有效态的钝化效果较好,明显优于单一钝化剂处理;钝化剂能有效降低土壤中毒性淋溶态(TCLP)Cd、Pb和Zn的含量,随钝化时间的延长TCLP-Cd和TCLP-Pb整体上呈持续降低趋势,TCLP-Zn含量在钝化剂处理40 d和70 d后变化不明显,钝化70 d后,各处理中对毒性淋溶态Cd、Pb和Zn的钝化效果最佳的处理是添加比例为2%的HMB、添加比例为1%的HMC和HMA,复合材料的钝化效果优于单施处理;经单一材料和复合材料处理后,大多数处理中的残渣态Cd、Pb和Zn含量升高,能显著降低重金属的迁移性和毒害性,钝化40 d后的残渣态Cd含量基本上高于70 d,钝化效果受时间尺度影响较大;土壤经钝化剂培育70d后,大多数处理中的残渣态含量升高,且对Pb的钝化效果优于Cd和Zn,各处理中对Cd、Pb和Zn的钝化效果最佳的处理分别为添加比例为4%的HMA、HMB和H,与对照组(CK)相比,残渣态含量百分比提升了34.94%、45.05%和36.78%。