从风化煤提取的腐殖质对土壤镉和铀的吸附和洗脱作用

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腐殖质(Humic Substances,HS)是植物残体经过复杂的分解、转化和合成过程而形成的一类有机物聚合体,具有提供植物营养元素、促进土壤团聚体形成、吸附有害化学物质、净化水质、调节温室气体排放等多种生态功能。腐殖质巨大的比表面积、丰富的官能团(如羧基、酚羟基)及亲水-疏水特征使其在土壤和环境研究中颇受关注,在土壤改良和污染土壤修复中具有巨大的应用潜力。但腐殖质的制备方法存在一些问题,使其应用受到限制;腐殖质应用于土壤重金属钝化和洗脱的途径和技术很不完善。  本文介绍了腐殖质的制备及表征,重点论述了其用于重金属污染土壤修复的潜力。针对传统方法制备的胡敏酸不适用于土壤修复,胡敏酸钝化重金属的机制不够明瞭,水溶性腐殖质洗脱重金属的效果和控制过程不清晰等问题,本文以富含腐殖质的风化煤为原料,用传统的絮凝方法和改进的絮凝方法制备了性质不同的胡敏酸及其钙盐,对其理化性质进行了表征;通过批吸附试验研究了胡敏酸对重金属镉(Cd)和铀(U)的吸附能力及作用机制,探究了胡敏酸对土壤重金属活性的影响;通过批解吸试验探究了胡敏酸对重金属的固持性能,并探讨了解吸的控制过程;通过批洗脱试验分析了水溶性腐殖质对土壤Cd的去除率及影响因素,优化了洗脱条件,并对产生的废液进行了有效的处理。论文主要结论如下:  风化煤经NaOH或KOH溶液提取后,利用不同絮凝剂(HCl,CaCl2,CaCl2+阳离子聚丙烯酰胺(CPAM))分别获得了不溶性的胡敏酸(HA)和胡敏酸钙(Ca-HA和Ca-CPAM-HA)以及水溶性的腐殖质。所用的风化煤重金属含量本底值低,用其制备的腐殖质符合安全使用的要求.  风化煤、HA、Ca-HA和Ca-CPAM-HA对Cd均具有较好的吸附能力,吸附平衡时间分别是4、8、4和8h。在pH=5、Cd的初始浓度为0~100mg/L时,HA、Ca-HA和Ca-CPAM-HA对Cd的最大吸附量分别是129、114和110mg/g,明显高于风化煤的64mg/g。胡敏酸添加到Cd污染土壤后,能降低Cd的活性,表现为酸溶态Cd含量下降。  HA吸附U(Ⅵ)的能力强,吸附2h达到平衡。溶液初始pH对U(Ⅵ)吸附影响明显,pH=6.0时吸附量最大。温度为298、308和318K及pH=5、U(Ⅵ)的初始浓度为0~120mg/L时的最大吸附量分别是91、112和120mg/g,吸附过程是自发吸热的。解吸试验表明,U(Ⅵ)吸附量为31mg/g时,在模拟海水及土壤溶液中的解吸量仅为吸附量的0.40%和0.06%。HA添加到土壤后,pH降低、U结合态发生转化。  所用的水溶性HS的羧基和酚羟基含量分别是6.70和5.44mol/(kg C),在pH=6.0时的临界胶束浓度(CMC)为1890mgC/L。它对3种Cd污染土壤的洗脱平衡时间为2-6h;洗脱效果受pH、液∶固比(mL∶g)、洗脱剂浓度等影响。溶液pH=6.0时Cd的去除率最高;液∶固比越大Cd去除率越高,产生的洗脱废液也越多;试验浓度范围内,HS浓度越高Cd去除率越高。综合考虑成本和Cd去除效果,选择的洗脱操作条件是:HS浓度为3150mgC/L,溶液pH=6.0,液∶固比(mL∶g)为5和洗脱时间为2h。洗脱过程中产生的废液经廉价的Ca(OH)2处理后,Cd含量符合国家污水排放标准(GB8978-1996)。  准二级动力学方程比准一级动力学方程能更好地描述胡敏酸对Cd和U的吸附过程,说明吸附过程涉及化学吸附,傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明主要是羧基与Cd和U结合。解吸过程是吸附的逆过程,准二级动力学方程比准一级动力学方程能更好地描述Cd从Cd-HA和土壤颗粒上的解吸过程,而U的解吸过程则反之。解吸过程是分步进行的:初始的快速解吸阶段和其后的缓慢解吸阶段。
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