巨菌草生物炭/氧化铁复配材料对铅镉复合污染土壤稳定化的研究

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复合污染是我国土壤污染的主要形式,铅/镉复合污染又是我国农田污染的重要类型之一。植物修复、钝化/稳定化法是农田土壤修复的重要手段,针对重金属复合污染土壤,往往需要多种方法的联合运用。  本文从对植物修复和钝化/稳定化进行合理互补的角度出发,选取修复植物巨菌草制备生物炭进行二次利用,以达到合理利用剩余秸秆和生产钝化材料的目标;氧化铁是土壤中常见的氧化物,对土壤中Pb、Cd等多种重金属的迁移行为有重要影响。通过对巨菌草进行不同温度的热解处理得到生物炭,与氧化铁复配得到具有选择性、土壤友好型的固化/稳定化材料。  主要实验结果如下:  (1)对350℃、700℃热解巨菌草生物炭进行保留灰分、洗脱灰分、硝酸处理后,结果表明:保留灰分的生物炭具有最好的吸附能力,对Pb2+、Cd2+的吸附分别达到130.82、26.36mg·g-1和142.14、39.09 mg·g-1。  (2)巨菌草生物炭(40目)和氧化铁粉末(400目)进行固-固复配,结果表明:复配材料为弱碱性材料,pH值在7.6-8.5之间;固-固复配处理极大增加了350℃热解生物炭的比表面积、微孔面积、孔容等指标,以保留灰分的生物炭复配材料为例,其比表面积、微孔面积、总孔容、微孔孔容、平均孔径分别增加了34.94、51.69、206.73、56.50、0.818倍;对 Cd2+的吸附性能增加了22.45%;复配材料对Pb2+、Cd2+吸附的选择性有明显的变化,复配材料对Cd的选择性吸附明显增强。  (3)对不同处理的复配材料进行吸附动力学、等温吸附过程的分析。结果表明:复配材料对Pb2+吸附动力学过程符合准二级动力学(R2>0.99)、颗粒内扩散模型(R2>0.60);复配材料对 Cd2+吸附动力学过程符合准二级动力学模型(R2>0.91)、颗粒内扩散模型(R2>0.64);复配材料对Pb2+的吸附符合Langmuir(R2>0.86)和 Freundlich(R2>0.90)等温吸附过程;材料对 Cd2+的吸附符合和Freundlich(R2>0.81)等温吸附过程,不符合 Langmuir(R2<0.50)等温吸附过程。  针对实际土壤,复配材料的固化效果如下:  (1)对于韶关某矿区农田土壤(pH=8.46,DTPA-Pb,7.982mg·kg-1, DTPA-Cd,1.4441 mg·kg-1)和番禺农田土壤(pH=6.56,DTPA-Pb,88.456mg·kg-1, DTPA-Cd,4.8233.4441 mg·kg-1)进行振荡实验发现,在0.4%的固化剂投加量下,两种土壤的Pb、Cd的DTPA有效态降低到标准值下(土壤环境质量标准,HJ/T332-2006);土壤熟化实验表明,复配材料对番禺土壤有更好的修复效果,以OCF350为例,对Pb、Cd固化效率分别达到34.09%、53.60%和67.66%、63.41%,但是由于培养时间限制,Cd的最终含量仍高于标准值。  (2)韶关某矿区农田土壤为弱碱性土壤,施加复配材料对其酸碱度没有明显的影响,番禺某农田土壤为弱酸性土壤,施加复配材料对土壤的pH有着明显的影响,随熟化时间的增加土壤pH先升高然后趋于稳定,施加OCF350、OCF700对番禺土壤的pH值影响最大,土壤pH值分别增加了0.08和0.07;OCF350对土壤的有机质影响显著((p<0.05)),韶关农田土壤、番禺农田土壤有机质含量分别增加了0.32%、0.41%。
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