改性水滑石对土壤中Cd和BPA复合污染的固定化研究

来源 :武汉工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:njuchen1986
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土壤污染日益严重,有机物-重金属的复合污染已经成为一种普遍的污染污染形式,其相互之间的复杂作用是影响土壤修复效果的重要因素。目前,对于单一类型污染物的研究较多,而针对有机物-重金属复合污染土壤的修复研究较少。固化/稳定化修复技术是向土壤中添加固化剂,是一种高效经济且对环境影响最小的修复方法。而在众多土壤修复材料中,水滑石(LDHs)是一种可以通过人工合成的典型层状黏土矿物,其优异的结构再生性能,使得其可以通过“分层”和“煅烧”改性为尺寸更小的纳米片和混合金属氧化物来实现其功能化,被应用于环境污染物的治理。本文在水滑石应用于溶液体系中污染物处理的研究基础上,将水滑石材料应用于更为复杂的严峻的土壤污染修复,选择了目前污染最为严重的重金属Cd(Ⅱ)和新型内分泌干扰物(双酚A,BPA)作为目标污染物,探究不同水滑石材料对其污染修复的影响及机制。通过尿素法和共沉淀法合成分别合成了Mg Al和CaAl水滑石,并用“分层”和“煅烧”两种方式得到改性的水滑石(S-LDH和CLDH),将其应用于土壤中Cd和BPA污染的修复,通过改变固化剂的施用量,土壤中污染物浓度、p H等一系列实验,并使用XRD、SEM和FTIR等表征,分析水滑石结构变化和解释固定化机制。在对土壤中重金属Cd(Ⅱ)的固化实验中发现,CaAl水滑石对Cd的固化效果高于Mg Al水滑石,通过分层改性制备的水滑石,降低了对土壤中Cd的固化效果,煅烧改性方式得到的水滑石,提高了对土壤中Cd的固化效果。并通过植物毒性实验验证了不同材料的修复效果(Ca-CLDH>Mg-CLDH>CaAl>Mg Al>S-LDH)和Tessier五步提取法并结合表征阐述了水滑石材料对Cd的固化机制:(i)生成金属氢氧化物和金属碳酸盐沉淀;(ii)与表面含氧官能团的络合;(iii)Cd(Ⅱ)与Mg(Ⅱ)或Ca(Ⅱ)的同晶置换。在对重金属污染修复的基础上,进一步研究了类水滑石材料对土壤中污染物BPA的固化。结果发现,10种水滑石类材料中在固定化BPA实验中,只有Mg-500°C、Mg-900°C和Ca-900°C三种材料展现出较高的固定化效率,在投加量为0.03 g/g时,反应72 h后对BPA的固定化效率分别为86.25%、85.57%和85.56%。进一步探究了LDHs投加量、土壤中BPA初始浓度、初始p H值等不同因素对BPA固化的影响。通过对Mg-500°C、Mg-900°C和Ca-900°C反应前后的XRD、SEM、FT-IR等表征进行分析,说明其对BPA固化的机制:水滑石的碱性使BPA分子解离成阴离子,插层进入水滑石而被固化(XRD图谱中水滑石层间距的变化)和被带正电荷的水滑石层板通过静电引力作用吸附。此外由于水滑石表面吸附土壤中有机质和BPA分子的疏水性,之间的相互作用由于分配机制作用,通过范德华力相互作用使得BPA分子与水滑石有强的吸引力而被吸附固定。最后可能有BPA与水滑石层板上的羟基之间的氢键作用而被吸附。随后,对修复后的土壤进行在酸性条件下(冰醋酸缓冲溶液)的浸出,发现固定BPA的牢固性大小顺序为Mg-500°C>Mg-900°C>Ca-900°C,提供了煅烧水滑石材料在BPA污染修复方面的科学依据。如今电子设备更新换代迅速,其废弃物中含有的重金属Cd(Ⅱ)和有机物BPA将导致电子垃圾拆卸区域的复合污染。因此,将优选出的Mg-500°C、Mg-900°C和Ca-900°C三种材料应用于Cd(Ⅱ)和BPA复合污染土壤的修复研究。结果发现,在一定浓度(500 mg/kg Cd和50 mg/kg BPA)的复合污染土壤中,投加量为0.03g/g三种材料对Cd(Ⅱ)的固定化效率都很高(97%以上),对BPA的固定化效率分别为86.53%、59.74%和84.21%,并通过改变Cd(Ⅱ)和BPA的共存浓度发现,Cd(Ⅱ)的浓度会对BPA的固化产生影响(顺序为Mg-500°C>Mg-900°C>Ca-900°C)。结合对单一污染修复机制,高浓度Cd离子的存在会影响水滑石的溶解在沉淀机制和BPA的分配机制。进一步,考察了固化后土壤在酸性环境下(冰醋酸缓冲溶液)的浸出解吸情况,结果发现Ca-900修复后土壤中,BPA和Cd更易被释放出来,这与前两章情况相似,且符合CaAl与Mg Al水滑石相比更容易溶解的性质;其牢固性大小顺序为Mg-500°C>Mg-900°C>Ca-900°C。
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