CN109127691A - 一种用于重金属污染土壤修复的吸附剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于重金属污染土壤修复的吸附剂，特别是涉及一种矿山重金属污染土壤的吸附‑生物联合修复方法中使用的吸附剂，属于土壤修复技术领域。所述的吸附剂是由大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶、改性微晶纤维素、交联EDA的微球载体、聚合单体进行复合而成。通过吸附材料对土壤中的重金属进行富集，同时通过吸收重金属的植物对富集的重金属进行吸收，再将植被送入无害化处理，可以实现反复循环地重金属污染场地的修复。
Description
技术领域
本发明是专利申请201610433375.6、《一种矿山重金属污染土壤的吸附-生物联合修复方法》的分案申请，本发明涉及一种用于重金属污染土壤修复的吸附剂，特别是涉及一种矿山重金属污染土壤的吸附-生物联合修复方法中使用的吸附剂，属于土壤修复技术领域。
背景技术
金属矿山既是资源集中地 ,又是天然的土水生态环境污染源。在开采过程中流失的重金属Pb、Hg、As、Cd、Cr等是土水生态环境的重要毒害元素。。随着矿山开采年份的增加,矿山周边土壤环境中重金属不断积累,污染现象日趋严重。重金属进入土壤环境后,扩散迁移比较缓慢,且不被微生物降解,通过溶解、沉淀、凝聚、络合、吸附等过程后,容易形成不同的化学形态。当其在土壤中积累到一定程度时,就有可能通过土壤—植物(作物)系统,经食物链为动物或人体所摄入,潜在危害性极大。因此,金属矿山土壤的重金属污染问题必须引起高度关注,并采取相应措施加以防治。
重金属进入土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应，形成不同的化学形态，并表现出不同的活性，土壤中重金属的形态影响它的活性和对植物的有效性。因此，研究土壤中重金属的形态及形态之间的转化对重金属的环境效应及重金属污染土壤的治理修复具有重要意义。根据重金属在土壤中的基本积累机制，常把土壤中重金属分为5种存在形态:(1)可交换态;(2)碳酸盐结合态;(3)铁锰氧化物结合态;(4)有机结合态;(5)残留态。在不断变化的环境条件中，各种形态的重金属有着不同的重新分布特征。一般地，土壤中的可交换态重金属有比较强的生物活性，而残留态重金属在自然条件下，由于与土壤矿物质有较强的结合力而不易于从土壤颗粒中释放出来，具有较低的生物活性。
目前,国内外治理土壤重金属污染的途径归纳起来主要有3种:一是改变重金属在土壤中的赋存状态,使其稳定或固定,降低其活性,使其钝化,脱离食物链,以降低其在环境中的迁移性和生物可利用性;二是利用各种技术从土壤中去除重金属,达到回收和减少土壤中重金属的双重目的;三是利用各种防渗材料,如水泥、粘土、石板、塑料板等,将污染地区与未污染地区隔离,以减少或阻止重金属的迁移和扩散。
CN101961726A公开了一种锦葵在修复矿山土壤及污泥的镉、铅重金属污染中的应用，将锦葵种植于重金属污染的矿山土壤或污泥中即可。利用锦葵对镉、铅等重金属的富集特性，将其种植于矿山土壤或污泥中，可吸收积累镉、铅等重金属，并将其大部分转运到地上部分，以达到修复矿山土壤和污泥重金属污染的目的。
但是上述的方法中，由于植被刚刚种植时，存在着生长速度慢、吸收效果低的问题，导致植物在种植初期对于重金属的吸收效率不好。
发明内容
本发明的目的是：针对矿山开采后植被稀少、土壤中重金属含量大的问题，提供了一种吸附-生物联合修复的方法。
该方法通过吸附材料对土壤中的重金属进行富集，使植物的种植初期吸收效果低的问题被减轻，并且吸附材料中包含有肥料，随着时间推移，可以缓慢释放并降解，促进植物生长，而通过吸附材料的吸收，使得重金属被富集，当吸附材料开始降解时，植物已经基本生长完善，可以开始大规模吸收被富集并释放的重金属，实现了同时通过吸收重金属的植物对富集的重金属进行吸收，再将植被送入无害化处理，可以实现反复循环地重金属污染场地的修复。
技术方案是：
一种矿山重金属污染土壤的吸附-生物联合修复方法，包括如下步骤：
第1步，在矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物，并对植物进行养护；
第2步，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序；
第3步，再在所述的地表位置再次施加可降解的重金属吸附材料，并进行植物养护；
第4步，循环进行第2步～第3步的步骤，直到土壤中的重金属含量下降到设定水平。
所述的可降解的重金属吸附材料中还包括有植物所需的肥料。
所述的吸收重金属的植物选自巨菌草、蔷薇、 红瑞木、杠柳、紫穗槐、绣线菊、柠条、石楠、丁香、小叶女贞、刺 槐、榆树、杜英、栾树、柳树、小叶白蜡、扶芳藤、爬山虎、地锦、油松、构树、小桐子、合欢、胡枝子、臭椿或者湿地松中的一种或者几种。
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉30～50份，溶于蒸馏水300～400份中，搅拌均匀成溶胶；再加入无机碱水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为9～13；升温65～80℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将植物纤维1～2份粉碎后，与无机酸溶液5～20份混合，加热75～95℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.2～0.4份、水5～8份混合均匀，升温至80～90℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶40～60份、S2中得到的改性微晶纤维素10～20份、尿素20～30份、磷酸铵10～20份、硫酸铵10～20份混合均匀后，加入乙醇50～60份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）5～10份和碳酸氢钠5～10份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
所述的第S1步中，无机碱选自氢氧化钠或者氢氧化钾中的一种或者两种的混合。
所述的第S2步中，植物纤维选自棉纤维、木纤维、竹纤维、麻纤维中的一种或者几种混合物；无机酸溶液为盐酸、硫酸或磷酸溶液，酸浓度为0.1～1.0mol/L。
有益效果
该方法通过吸附材料对土壤中的重金属进行富集，同时通过吸收重金属的植物对富集的重金属进行吸收，再将植被送入无害化处理，可以实现反复循环地重金属污染场地的修复。
具体实施方式
实施例1
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物巨菌草，种植密度是120株/100m2，并对植物进行养护；
第2步，种植30天后，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序；
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉30份，溶于蒸馏水300份中，搅拌均匀成溶胶；再加入3wt%氢氧化钠水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为9；在65℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将竹纤维1份粉碎后，与1.0mol/L盐酸溶液5份混合，在75℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.2份、水5份混合均匀，升温至80℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶40份、S2中得到的改性微晶纤维素10份、尿素20份、磷酸铵10份、硫酸铵10份混合均匀后，加入乙醇50份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）5份和碳酸氢钠5份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
实施例2
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物巨菌草，种植密度是120株/100m2，并对植物进行养护；
第2步，种植30天后，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序；
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉50份，溶于蒸馏水400份中，搅拌均匀成溶胶；再加入3wt%氢氧化钠水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为13；在80℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将竹纤维2份粉碎后，与1.0mol/L盐酸溶液20份混合，在95℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.4份、水8份混合均匀，升温至90℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶60份、S2中得到的改性微晶纤维素20份、尿素30份、磷酸铵20份、硫酸铵20份混合均匀后，加入乙醇60份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）10份和碳酸氢钠10份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
实施例3
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物巨菌草，种植密度是120株/100m2，并对植物进行养护；
第2步，种植30天后，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序；
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉40份，溶于蒸馏水350份中，搅拌均匀成溶胶；再加入3wt%氢氧化钠水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为11；在70℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将竹纤维1份粉碎后，与1.0mol/L盐酸溶液11份混合，在90℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.3份、水6份混合均匀，升温至85℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶50份、S2中得到的改性微晶纤维素15份、尿素25份、磷酸铵15份、硫酸铵15份混合均匀后，加入乙醇55份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）8份和碳酸氢钠6份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
对照例1
与实施例3的区别在于：未加入可降解的重金属吸附材料。
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物巨菌草，种植密度是120株/100m2，并对植物进行养护；
第2步，种植30天后，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序。
对照例2
与实施例3的在于：未进行植物种植，仅仅使用吸附材料。
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2；
第2步，从第5天开始，每5天测定土壤中的重金属含量，直到第 30天后；
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉40份，溶于蒸馏水350份中，搅拌均匀成溶胶；再加入3wt%氢氧化钠水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为11；在70℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将竹纤维1份粉碎后，与1.0mol/L盐酸溶液11份混合，在90℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.3份、水6份混合均匀，升温至85℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶50份、S2中得到的改性微晶纤维素15份、尿素25份、磷酸铵15份、硫酸铵15份混合均匀后，加入乙醇55份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）8份和碳酸氢钠6份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
对土壤中的重金属含量测定结果如下：
从表中可以看出，如果单独采用吸附材料时，重金属含量会初期发生下降，但是随着吸附材料的降解，重金属含量又会进一步地提高，这说明采用可降解吸附材料可以在一定时间内对重金属进行富集，然后在后一段时间开始重新释放。
对照例2
与实施例3的区别在于：可降解的重金属吸附材料的制备步骤中未通过N-丁氧基甲基丙烯酰胺单体改性。
第1步，在含有镉12mg/Kg、锌34mg/Kg、铅7mg/Kg的矿山重金属污染表面施加可降解的重金属吸附材料，施加量是40g/m2，再在所述的表面放种植吸收重金属的植物巨菌草，种植密度是120株/100m2，并对植物进行养护；
第2步，种植30天后，对植物的地表部分进行割除，送入无害化处理工序；
所述的可降解的重金属吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉40份，溶于蒸馏水350份中，搅拌均匀成溶胶；再加入3wt%氢氧化钠水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为11；在70℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；
S2：按重量份计，将竹纤维1份粉碎后，与1.0mol/L盐酸溶液11份混合，在90℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.3份、水6份混合均匀，升温至85℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；
S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶50份、S2中得到的改性微晶纤维素15份、尿素25份、磷酸铵15份、硫酸铵15份混合均匀后，加入乙醇55份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）8份和碳酸氢钠6份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；
S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
以上实施例1～3、对照例1和对照例3进行试验30天后，测定土壤中的重金属含量，如下表所示。
从上表中可以看出，由于植物刚种植时，其自身生长速度过慢，并且需要养分，因此对于重金属的吸收作用较弱，因此在前30天内通过吸附材料对重金属进行富集，可以减轻植物的压力，当吸附材料被降解，重新回到土壤中时，此时植物已经生长较好，具有较好的生长速度和吸收速度，可以对富集的重金属进行吸收。对照例1中，由于未采用植物吸收，导致重金属含量仍然很高；而对照例2中由于未对吸附材料进行改性，导致了先期的富集效果不好，影响到了后期的植物吸收，使重金属含量较实施例3要高。
Claims (3)
1.一种用于重金属污染土壤修复的吸附剂，其特征在于，所述的吸附剂通过如下方法制备得到：
S1：按重量份计，称取魔芋精粉30～50份，溶于蒸馏水300～400份中，搅拌均匀成溶胶；再加入无机碱水溶液搅拌均匀，使溶胶pH值为9～13；升温65～80℃下反应，结束后冷却静置，然后用蒸馏水浸泡洗涤，将凝胶置于冷冻槽中冷冻，再室温融化，冻干后得到大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶；S2：按重量份计，将植物纤维1～2份粉碎后，与无机酸溶液5～20份混合，加热75～95℃下进行水解反应，反应结束后，过滤出残渣，将残渣用水清洗至pH中性，再将残渣、聚乙二醇0.2～0.4份、水5～8份混合均匀，升温至80～90℃进行反应，得到白色浆液，喷雾干燥后得到改性微晶纤维素；S3：按重量份计，将S1中得到的大孔魔芋葡甘聚糖水凝胶40～60份、S2中得到的改性微晶纤维素10～20份、尿素20～30份、磷酸铵10～20份、硫酸铵10～20份混合均匀后，加入乙醇50～60份溶胀，然后加入乙二胺（EDA）5～10份和碳酸氢钠5～10份，在于80℃下搅拌反应24h，反应结束后，将产物真空干燥至恒重，得到交联EDA的微球载体；S4：按重量份计，在60份交联EDA的微球载体中加入二甲基甲酰胺5份溶胀12 h后，加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)10份、N-丁氧基甲基丙烯酰胺(NBMA)4份g、丙烯酸双环戊烯基酯（DCPA）3份、K2CO3 5份、四丁基溴化铵（TBAB） 5份，搅拌下于一定温度的油浴中回流反应，反应结束后将反应产物转移至沙芯漏斗中，抽滤后再用甲醇洗滤2遍抽干，真空干燥至恒重，得到可降解的重金属吸附材料。
2.根据权利要求1所述的用于重金属污染土壤修复的吸附剂，其特征在于，所述的第S1步中，无机碱选自氢氧化钠或者氢氧化钾中的一种或者两种的混合。
3.根据权利要求1所述的用于重金属污染土壤修复的吸附剂，其特征在于，所述的第S2步中，植物纤维选自棉纤维、木纤维、竹纤维、麻纤维中的一种或者几种混合物；无机酸溶液为盐酸、硫酸或磷酸溶液，酸浓度优选为0.1～1.0mol/L。
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