CN109622581A - 一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法,具体是将制备的磁改性生物炭作为土壤修复剂,以水作为分散介质,将重金属污染土壤与磁改性生物炭混合和接触,经高压冲洗筛分、连续强力混合、磁选分离和固液分离等步骤,得到用于农业生产和建设用地的达标土壤。本发明将磁改性生物炭应用于重金属污染土壤修复,从根本上消除淋洗废液的处理流程,减少了工程建设及投资,彻底移除土壤中重金属污染物,消除环境风险。同时生物炭资源化利用能够消纳大量农业废弃物,减少废物焚烧、填埋造成的污染和土地占用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法,具体属于污染土壤修复技术领域。
背景技术
随着工业化进程的不断加快,土壤重金属污染日趋严重,对土壤生态系统产生严重的影响,同时还会通过食物链进入人体,对人体的健康造成危害。目前对土壤重金属污染的修复技术主要有物理修复、化学修复、生物修复等。
物理修复包括客土、固化、电动力学修复等,其中客土技术含量低、工程量大,只是交换无污染土壤和污染土壤的空间位置,对已污染土壤没有任何修复;固化修复是将重金属污染物与土壤一起封固起来,虽然重金属污染无法迁移,但是土壤也失去多种使用价值;电动力学修复实际修复时受到电极材料的影响,修复效果稳定性差,不适应工程应用。
化学修复包括淋洗、化学氧化还原、化学稳定化等,其中淋洗技术是目前国内外使用较多的重金属污染修复方法,主要是因为彻底降低了土壤中重金属污染物含量,但是会产生大量淋洗废液需要处理,工程量增大;化学氧化还原只针对易变价重金属的修复,对于大量其他重金属修复效果甚微;稳定化修复将有效态重金属稳定后,减少了重金属污染物的迁移,但稳定效果随着时间推移和环境变化是无法保证的,需要后期大量的监控,存在被活化的风险,同时容易产生二次污染,市场逐渐萎缩。
生物修复利用植物、微生物、动物等对重金属污染物进行稳定、提取等,该方法虽然绿色经济,但是存在修复时间长,难以适应重度重金属污染土壤的治理,且生物修复速率远低于污染速率,存在较多局限。
除了上述传统修复技术方法外,近年来,也出现了大量围绕环境功能材料开发的新技术,如利用生物炭、复合矿物钝化稳定重金属污染物;利用磁选分离方法分离场地或农用土壤中有害重金属;新型复配淋洗剂等。生物炭作为一种利用农作物废弃物制成的高碳固体残渣,主要由单质碳和芳香烃构成,具有类石墨结构,比表面积大、表面负电荷密度大、CEC较高、表面官能团丰富的特点,能够稳定吸附重金属,同时生物炭还能提高土壤pH来降低重金属有效性,改良土壤理化性质,能明显提高农作物产量,增强长势。因此,采用生物炭修复重金属土壤,不仅能够大量消纳农作废弃物,修复时还不会产生二次污染,是一种具有很好应用潜力的修复技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用磁改性生物炭去除污染土壤中重金属的方法,从根本上消除了淋洗废液复杂的处理流程,减少工程建设及投资,彻底移除土壤中重金属污染物,消除环境风险。
本发明一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法是将制备的磁改性生物炭作为土壤修复剂,以水作为分散介质,将重金属污染土壤与磁改性生物炭充分混合后,经高压冲洗筛分、连续强力混合、磁选分离和固液分离,得到回用于农业生产、建设用地的达标土壤,具体包括如下步骤:
步骤1:磁改性生物炭的制备
将100nm~300nm的Fe3O4颗粒和十二烷基硫酸钠以5∶1的质量比加入水中,保持固液质量比1∶3,再加入NaOH调节pH到10,升温95℃,搅拌1h;反应后添加浓硝酸调节pH到7,用清水冲洗并分离出包覆十二烷基硫酸钠的Fe3O4颗粒,再将其与十二烷基苯磺酸钠以质量比4∶1比例加入水中,保持固液质量比1∶3,升温60℃搅拌1h,制得包覆两层表面活性剂的磁性剂;将生物炭和0.2mol/L氯化锰溶液以1∶2固液质量比在pH为5的条件下,改性活化2h,然后用清水冲洗pH至7,得到改性生物炭;再将改性生物炭和磁化剂以1∶1的质量比加入水中,保持固液质量比1∶5,升温至60℃搅拌反应1h,然后清水洗净,并在105℃下烘干2小时,得到磁改性生物炭;
步骤2:高压冲洗筛分
控制重金属污染土壤与磁改性生物炭的质量比为500∶1,将重金属污染土壤与磁改性生物炭混合后加入筛分系统进行筛分,同时用高压水冲洗重金属污染土壤和磁改性生物炭的混合物;经筛分分级,分别得到粒径≥20mm、5mm~20mm、≤5mm的土壤组分,其中,粒径≥20mm、5mm~20mm的土壤组分直接用于土壤回填或基础铺设;
步骤3:连续强力混合
采用水作分散介质,将步骤1的冲洗水、步骤4的固液分离剩余的水、筛分后的磁改性生物炭、粒径≤5mm的土壤组分一并加入连续强力混合系统搅拌混合处理1-3h;其中控制粒径≤5mm的土壤组分与磁改性生物炭的质量比为200∶1,固液质量比为1∶5;
步骤4:磁选分离
将步骤3的土壤组分、磁改性生物炭的混合液加入到磁分离系统,采用湿式永磁磁选,磁场强度控制在300-400mT;经磁选后,将吸附重金属污染物的磁改性生物炭与土壤和水的混合液分离;
步骤5:固液分离
将步骤4的土壤和水的混合液加入到固液分离系统,经固液分离,得到达标土壤,其含水率20wt%-30wt%,回用于农业和建设用地;剩余的水用作步骤3的分散介质。
所述的磁改性生物炭的粒径为0.05mm~ 0.15mm,比磁化系数大于5000×10-6cm3/g。
本发明有益效果:
本发明采用磁改性生物炭净化土壤,适用多种磁分离设备,其土壤中重金属的吸附效果好,且有很好的磁分离效果,将这种磁改性生物炭应用于重金属污染土壤淋洗修复,从根本上消除淋洗废液复杂的处理流程,减少工程建设及投资,同时能够彻底移除土壤中重金属污染物,消除环境风险。
本发明重金属污染土壤修复方法,克服了淋洗修复工艺流程不足,不再需要购买安装大量淋洗液及淋洗液处理设备,减少了直接投资和处理费用,同时避免了淋洗液残留以及过度化学淋洗导致土壤二次污染和肥力流失。
本发明土壤修复磁选分离应采用多梯度分选,分离效率大于80%,分离效率高。
生物炭作为一种利用农作物废弃物制成的材料,能够消纳大量废弃物,减少废物焚烧、填埋造成的污染和土地占用。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
重金属污染土壤面积大,重金属污染物种类多。农用地重金属污染超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》 GB15618-2018中表3的农用地土壤污染风险管制值时,经修复后农用地重金属污染应小于该标准中表1的农用地土壤污染风险筛选值。建设用地重金属污染超过《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018中表1的建设用地土壤污染风险管制值时,经修复后建设用地重金属污染应小于该标准中表1的建设用地土壤污染风险筛选值。
实施例1
将100nm左右的Fe3O4颗粒50g和十二烷基硫酸钠10g加入水中,保持固液质量比1∶3,再加入NaOH调节pH到10,升温95℃,搅拌1h,反应后添加浓硝酸调节pH到7,用清水冲洗并分离出包覆十二烷基硫酸钠的四氧化三铁颗粒,再将其与十二烷基苯磺酸钠以质量比4∶1比例加入水中,保持固液质量比1∶3,升温60℃保持1h,制得包覆两层表面活性剂的磁性剂;将生物炭和0.2mol/L氯化锰溶液以1∶2固液质量比在pH为5的条件下,改性活化2h,然后用清水冲洗pH至7,得到改性生物炭;再将改性生物炭和磁化剂以1∶1的质量比加入水中,保持固液质量比1∶5,升温至60℃搅拌反应1h,然后清水洗净,并在105℃下烘干2小时,得到磁改性生物炭。
实施例2
污染土壤位于某流域附近农业用地,污染面积34亩,土壤pH在6.5-7.5间,重金属污染为:镉 5mg/kg、砷150mg/kg、铅1000mg/kg。污染土壤运至场地附近进行净化处置,进料时,污染土壤与磁改性生物炭以500∶1的质量比例混合加入冲洗筛分系统,经筛分后粒径小于5mm的土壤组分与磁改性生物炭以200∶1的质量比一起进入强力搅拌混合系统,固液质量比为1∶5,污染土壤与磁改性生物炭在混合系统内搅拌混合1h,其后进入磁分离系统;采用湿式永磁磁选,磁场强度300-400mT,磁选分离磁改性生物炭后,剩余物进入固液分离系统;经固液分离后,含水率26wt%,pH在6.5-7.5间,重金属含量为:镉0.3mg/kg、砷18mg/kg、铅51mg/kg,土壤达到《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB15618-2018。
实施例3
污染土壤位于某工业厂房搬迁遗留场地,污染面积78亩,土壤pH在6.5-7.5间,重金属污染为:镉180mg/kg、铅3000mg/kg、铜20000mg/kg、镍2800mg/kg。污染土壤运至场地附近净化处置。进料时,污染土壤与磁改性生物炭以40∶1的质量比混合加入冲洗筛分系统;经筛分后,粒径小于5mm土壤组分与磁改性生物炭以20∶1的质量比一起进入强力搅拌混合系统,固液质量比为1∶5,污染土壤与磁改性生物炭在搅拌混合系统内搅拌混合2h,其后进入磁分离系统,采用湿式永磁磁选,磁场强度300-400mT;磁选分离磁改性生物炭后,剩余物进入固液分离系统,固液分离后的土壤含水率23wt%,重金属含量为:镉51mg/kg、铅600mg/kg、铜8000mg/kg、镍 650mg/kg,达到《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB36600-2018。
Claims (2)
1.一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法,其特征在于:所述的方法将制备的磁改性生物炭作为土壤修复剂,以水作为分散介质,将重金属污染土壤与磁改性生物炭充分混合后,经高压冲洗筛分、连续强力混合、磁选分离和固液分离,得到回用于农业生产、建设用地的达标土壤,具体包括如下步骤:
步骤1:磁改性生物炭的制备
将100nm~300nm的Fe3O4颗粒和十二烷基硫酸钠以5∶1的质量比加入水中,保持固液质量比1∶3,再加入NaOH调节pH到10,升温95℃,搅拌1h;反应后添加浓硝酸调节pH到7,用清水冲洗并分离出包覆十二烷基硫酸钠的Fe3O4颗粒,再将其与十二烷基苯磺酸钠以质量比4∶1比例加入水中,保持固液质量比1∶3,升温60℃搅拌1h,制得包覆两层表面活性剂的磁性剂;将生物炭和0.2mol/L氯化锰溶液以1∶2固液质量比在pH为5的条件下,改性活化2h,然后用清水冲洗pH至7,得到改性生物炭;再将改性生物炭和磁化剂以1∶1的质量比加入水中,保持固液质量比1∶5,升温至60℃搅拌反应1h,然后清水洗净,并在105℃下烘干2小时,得到磁改性生物炭;
步骤2:高压冲洗筛分
控制重金属污染土壤与磁改性生物炭的质量比为500∶1,将重金属污染土壤与磁改性生物炭混合后加入筛分系统进行筛分,同时用高压水冲洗重金属污染土壤和磁改性生物炭的混合物;经筛分分级,分别得到粒径≥20mm、5mm~20mm、≤5mm的土壤组分,其中,粒径≥20mm、5mm~20mm的土壤组分直接用于土壤回填或基础铺设;
步骤3:连续强力混合
采用水作分散介质,将步骤1的冲洗水、步骤4的固液分离剩余的水、筛分后的磁改性生物炭、粒径≤5mm的土壤组分一并加入连续强力混合系统搅拌混合处理1-3h;其中控制粒径≤5mm的土壤组分与磁改性生物炭的质量比为200∶1,固液质量比为1∶5;
步骤4:磁选分离
将步骤3的土壤组分、磁改性生物炭的混合液加入到磁分离系统,采用湿式永磁磁选,磁场强度控制在300-400mT;经磁选后,将吸附重金属污染物的磁改性生物炭与土壤和水的混合液分离;
步骤5:固液分离
将步骤4的土壤和水的混合液加入到固液分离系统,经固液分离,得到达标土壤,其含水率20wt%-30wt%,回用于农业和建设用地;剩余的水用作步骤3的分散介质。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁改性生物炭去除污染土壤重金属的方法,其特征在于:所述的磁改性生物炭的粒径为0.05mm~ 0.15mm,比磁化系数大于5000×10-6cm3/g。
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