氨基煤矸石的制备及其对铅污染土壤的钝化研究

作     者：刘柏君 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚素玲;贾怀军

授予年度：2023年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 081702[工学-化学工艺] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：煤矸石 硅烷偶联剂 吸附 钝化 Box-Behnken试验设计 铅污染 

摘      要：土壤重金属污染对人类健康和生态环境危害严重,是中国当前最突出的环境污染问题,因此土壤重金属污染的治理已经成为亟待解决的问题。化学钝化法是目前应用较为广泛且有效的一种土壤重金属污染修复方式,但是目前常用的钝化剂天然矿物材料的修复效果并不理想,人工合成的钝化材料往往价格昂贵,因此研究一种经济高效的土壤钝化材料应用于重金属污染土壤的修复非常必要。煤矸石作为一种来源广泛的工业固体废弃物,含有大量硅铝酸盐,对重金属有一定的吸附能力,被认为是一种极具应用潜力的废水处理吸附剂和土壤重金属污染修复剂,从而实现煤矸石资源化利用和土壤重金属污染修复的协同推进。本文以晋能塔山选煤厂洗选煤矸石为原料,采用有机-无机联合改性的方法制备得到了一种矸石基土壤钝化剂—氨基煤矸石,通过水体吸附试验探究氨基煤矸石对Pb(Ⅱ)的吸附性能和吸附机理,通过土壤培养试验探究氨基煤矸石对土壤中铅的有效态和化学形态的影响,并对修复效果进行潜在生态风险评价。主要的研究内容和结果如下:(1)氨基煤矸石的制备与表征。针对煤矸石比表面积小、吸附能力不强等问题,采用二甲基亚砜(DMSO)插层、盐酸酸洗预处理制得比表面积更大、活性位点更多的中间体MK-DH,以3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-540)为氨基供体对MK-DH进行修饰,并运用Box-Behnken试验设计优化制备条件,得到氨基煤矸石;利用XRD、FTIR、BET、Zeta电位等表征分析氨基煤矸石的结构和理化性质。结果显示:经插层、酸洗、氨基修饰后的氨基煤矸石有最大的Pb(Ⅱ)吸附容量,在整体制备过程中煤矸石的物相组成没有发生变化,但表面电位从煤矸石的-30.15 m V转为35.33 m V,此变化与氨基煤矸石表面的氨基有关,且氨基的接枝率越高,对Pb(Ⅱ)的吸附能力越强。(2)氨基煤矸石的水体吸附试验。溶液中氨基煤矸石对Pb(Ⅱ)的最优吸附条件为:吸附剂投加量8 g/L,温度25℃,吸附时间80 min,初始p H值6.5,吸附容量可达25.95 mg/g。Pb(Ⅱ)在氨基煤矸石上的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型;热力学研究证实,吸附过程是吸热且自发进行的。综合材料表征和对比试验结果,氨基煤矸石对Pb(Ⅱ)除物理吸附外,还有配位作用、络合作用、共沉淀作用,其中Pb(Ⅱ)与氨基煤矸石表面氨基的配位是主要的作用机制。(3)氨基煤矸石的土壤培养试验。氨基煤矸石对重金属污染土壤的修复效果优于煤矸石,使土壤中铅的有效态含量下降达5.57%～29.84%,而只添加煤矸石的降幅仅为2.21%～16.26%;氨基煤矸石和煤矸石均能提升土壤p H值,其中氨基煤矸石的效果更好,土壤p H值从6.55提升至6.80,有利于土壤铅向稳定态转变。土壤初始p H值对钝化剂的钝化效果也有影响,添加煤矸石后土壤铅的有效态含量降低了35.62%,整体含量仍处于较高水平;而添加氨基煤矸石后土壤铅有效态含量更低,且在宽泛的p H值条件下变化不大,修复效果更好。投加煤矸石和氨基煤矸石后铅的酸提取态和可还原态含量逐渐降低,可氧化态和残渣态含量升高,土壤铅的酸提取态含量分别降低2.28%～31.30%和5.90%～35.33%,可还原态分别降低1.50%～14.08%和10.83%～25.28%,可氧化态含量分别升高33.23%～66.65%和45.52%～95.14%,残渣态含量分别升高1.62%～23.73%和32.84%～118.67%。氨基煤矸石有利于土壤铅向稳定态转化,是一种潜在的重金属土壤修复剂。