CN107032434A - 一种基于纳米材料原位修复地下水中镉的方法 - Google Patents

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姜鸿喆
袁雪梅
杨悦锁
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Abstract

一种基于纳米材料原位修复地下水中镉的方法，涉及一种修复地下水中重金属镉的方法。所述方法包括以下过程：利用两口水井，抽水井和注射井进行修复；注射井注入200mg/L的纳米二氧化硅，通过地下水的流动使二氧化硅流向抽出井，利用潜水离心泵抽取地下水中的纳米二氧化硅，抽出的纳米二氧化硅循环使用；利用天然未修饰的纳米材料二氧化硅对地下水中镉进行修复其地下水的离子强度为1mM,pH值为5‑6的地下水。本发明纳米二氧化硅对镉的去除率达到60%以上。本发明可以在地下水的离子强度为1mM,pH在5‑6的范围内对含有较高镉污染的地下水进行有效的修复。

Description

一种基于纳米材料原位修复地下水中镉的方法
技术领域
本发明涉及对于污染场地进行修复的方法，具体的说是一种基于纳米材料修复技术用于修复地下水中重金属镉的方法。
背景技术
镉( Cd) 是生物毒性最强的重金属元素，由于它不能降解，不易依靠水体的自净作用消除并对环境和人体造成严重威胁。通过长时间的积累（30年）可导致严重的骨质疏松症，如日本的痛痛病。在自然界中，未被污染的水体中镉的含量在10-100 ng/l,然而若镉含量达到ug/l则是因为人为排放至水体中。地下水中镉的来源有众多途径如采矿、冶金、电子、合金制造、塑料、化肥、农药、纺织、颜料等。
目前镉已被美国毒理委员会( ATSDR) 列为第6 位危及人体健康的有毒物质，联合国环境规划署( DNFP)和国际职业卫生重金属委员会也把镉列入重点研究的环境污染物，世界卫生组织( WHO) 则将其作为优先研究的食品污染物。目前镉的治理技术主要有离子交换法、化学沉淀法、渗透膜滤法及吸附法等。其中吸附法以其成本较低、操作简便等优点而被广泛采用。
随着纳米技术的不断发展越来越多的纳米材料被用于环境修复。地下水的纳米修复指的是，将一种或多种纳米材料注射进地下水中随着水流的流动进行迁移修复
纳米二氧化硅是一种天然纳米材料，无毒无害，其粒径通常比岩石间的孔或裂缝小，因此，可以通过地下水流运输。此外，由于纳米颗粒比表面积大，表面活性强，表面存在电荷，可以被用来修复重金属。
发明内容
本发明涉及一种基于纳米材料原位修复地下水中镉的方法，该方法利用纳米修复技术修复地下水中的镉，并探求在不同纳米材料浓度，不同镉浓度，不同离子类型条件下，考察镉的去除效果。
本发明采用的技术方案为：
配制不同浓度的镉溶液及纳米二氧化硅悬浮液进行纳米二氧化硅修复重金属镉的批试验、柱实验及场地实验，具体实施过程为
（一）纳米二氧化硅对镉的吸附特性
配制离子强度为1mM的氯化钠溶液，所选离子强度符合实际场地地下水的离子强度。将三个锥形瓶中各加入100ml二氧化硅悬浊液，滴加1000ppm硝酸镉母液，使锥形瓶中硝酸镉浓度为2ppm，4ppm，6ppm，10ppm，20ppm。将三组平行样放入恒温水浴摇床，设置水温25度，转速100r/min。取样时间0、2、4、8、12、16、20、25、30、35、40、50、60min。
（二）纳米二氧化硅在方解石砂柱中的迁移
取5g方解石砂超声湿灌法装填至长度10cm,直径为1cm的层析柱中，先通过离子强度为1mM的背景溶液（NaCl），目的是为了稳定层析柱内各种理化条件。再通入纳米二氧化硅悬浊液，最后通入背景溶液将柱内没有被吸附的纳米二氧化硅洗脱下来。
（三）镉在方解石砂柱中的迁移
取5g方解石砂超声湿灌法装填至长度10cm,直径为1cm的层析柱中，先通过离子强度为1mM的背景溶液（NaCl），目的是为了稳定层析柱内各种理化条件。再通入硝酸镉溶液，最后通入背景溶液将柱内没有被吸附的镉离子洗脱下来。
（四）纳米二氧化硅和镉的双脉冲柱实验
先将镉注入砂柱中达到吸附平衡（流出浓度等于注入浓度）后注入纳米二氧化硅，用分部收集器取样，取样后加入一定量的酸将镉离子洗脱下来，过滤膜上火焰分光光度计上检测。
（五）纳米修复实际场地应用
实际场地中分别将间隔1m的水井作为注射井和抽取井，沿水流方向上游为注射井，下游为抽取井。将纳米材料从注射井注入，抽取井利用一定的流速将地下水中纳米二氧化硅抽取出来进行回收。
本发明提具有如下优点：
1.本发明用于修复地下水中镉的材料为二氧化硅，其表面存在大量的负电荷，对带有正电的镉离子具有良好的吸附效果。二氧化硅也可将含水层砂表面的镉离子吸附下来，对于含水层的镉离子也有很好的去除效果。
2、纳米二氧化硅是一种环境友好的纳米颗粒，具有比表面积大，表面活性强，是一种自然界常见的纳米材料，来源广泛以获取，成本低，对环境无毒害作用，不会造成地下水二次污染，能够快速有效地去除多种污染物等优点。
3、地下水的纳米修复技术是基于原位修复开发出来的一种新型修复技术，具有占地面积小（只需几口水井），工程设施简单（抽水泵，流量计，蠕动泵等），
修复费用远远低于其他修复技术，不会对污染场地周围的设施及环境造成影响，纳米材料可循环使用等优点。
附图说明
图1为本发明实验装置图。
具体实施方案
下面将通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
实施例1. 在不同离子条件下纳米二氧化硅对镉的吸附特性研究
配制离子强度为1mM的氯化钠溶液，所选离子强度符合实际场地地下水的离子强度。将三个锥形瓶中各加入100ml二氧化硅悬浊液，滴加1000ppm硝酸镉母液，使锥形瓶中硝酸镉浓度为2ppm，4ppm，6ppm，10ppm，20ppm。将三组平行样放入恒温水浴摇床，设置水温25度，转速100r/min。取样时间0、2、4、8、12、16、20、25、30、35、40、50、60min。
表1不同镉离子浓度下二氧化硅的吸附效果
实施例2，纳米二氧化硅在方解石砂柱中的迁移
取5g方解石砂超声湿灌法装填至长度10cm,直径为1cm的层析柱中，先通过离子强度为1mM的背景溶液（NaCl），目的是为了稳定层析柱内各种理化条件。再通入200ppm纳米二氧化硅悬浊液，最后通入背景溶液将柱内没有被吸附的纳米二氧化硅洗脱下来。纳米二氧化硅在砂柱上的吸附率达92%,说明二氧化硅可以在砂柱上吸附迁移。
实施例3，镉在方解石砂柱中的迁移
取5g方解石砂超声湿灌法装填至长度10cm,直径为1cm的层析柱中，先通过离子强度为1mM的背景溶液（NaCl），目的是为了稳定层析柱内各种理化条件。再通入硝酸镉溶液，最后通入背景溶液将柱内没有被吸附的镉离子洗脱下来。镉离子在砂柱上的吸附率为40%，说明地下水的含水层介质表面可能存在镉。
实施例4，纳米二氧化硅和镉的双脉冲柱实验
先将镉注入砂柱中达到吸附平衡（流出浓度等于注入浓度）后注入纳米二氧化硅，用分部收集器取样，取样后加入一定量的酸将镉离子洗脱下来，过滤膜上火焰分光光度计上检测。
结果得出纳米二氧化硅可将吸附到砂表面的镉离子洗脱下来，洗脱率为20%
实施例5纳米修复实际场地应用
实际场地中分别将间隔1m的水井作为注射井和抽取井，沿水流方向上游为注射井，下游为抽取井。将纳米材料从注射井注入，抽取井利用一定的流速将地下水中纳米二氧化硅抽取出来进行回收。

Claims (1)

1.一种基于纳米材料原位修复地下水中镉的方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：
利用两口水井，抽水井和注射井进行修复；注射井注入200mg/L的纳米二氧化硅，通过地下水的流动使二氧化硅流向抽出井，利用潜水离心泵抽取地下水中的纳米二氧化硅，抽出的纳米二氧化硅循环使用；利用天然未修饰的纳米材料二氧化硅对地下水中镉进行修复其地下水的离子强度为1mM,pH值为5-6的地下水。
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刘元伟等: "沸石负载纳米二氧化硅对Cd2+的吸附动力学", 《环境工程学报》 *

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