CN109679659A - 一种修复重金属污染土壤的修复剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤修复技术领域,具体涉及一种修复重金属污染土壤的修复剂及其制备方法和应用,该修复剂包括如下重量份的原料:复合硅酸盐水泥3‑8份、磷酸铁铵2‑7份和铁基化合物3‑8份;所述铁基化合物为硫酸铁、硝酸铁和氯化铁中的至少一种。本发明的修复剂通过采用复合硅酸盐水泥和铁基化合物复合,能同时对污染土壤中的铅、镉、砷进行钝化,有效降低钝化后的土壤中铅、镉、砷的浸出浓度,并使土壤的pH值呈弱碱性,避免砷等重金属离子在碱性环境下被活化,提高了土壤重金属的钝化效果和固化修复效果。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域,具体涉及一种修复重金属污染土壤的修复剂及其制备方法和应用。
背景技术
土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性,污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点,经水、植物等介质最终将影响人类健康。土壤修复指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物,使其浓度降低到可接受水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。
而重金属镉离子和铅离子呈碱稳定性,砷酸离子呈酸稳定性,在碱性环境中,铅、镉等重金属易形成溶解性差的结合态化合物,但若土壤pH过高,则会降低某些营养素生物利用率,带来土壤的碱化,破坏土壤结构,且砷等重金属在强碱性条件下容易形成羟基络合物,移动性增强,被活化,浸出度较高,对土壤反而造成污染。这现象是由于镉及砷的化学特性截然不同,单一钝化剂难以实现镉和砷的同时钝化,若使砷在土壤中稳定的同时,可能导致砷等其他重金属的活化。其次,pH会影响污染物在土壤中的稳定化,钝化剂的选择既要避免土壤的pH变化幅度大,又要避免增强其他一种或多种污染物的迁移性。而目前传统的土壤重金属钝化剂,难以实现多种金属的钝化及pH变化幅度小的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足,本发明的目的在于提供一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂通过采用复合硅酸盐水泥和铁基化合物复合,能同时对污染土壤中的铅、镉、砷进行钝化,有效降低钝化后的土壤中铅、镉、砷的浸出浓度,并使土壤的pH值呈弱碱性,避免砷等重金属离子在碱性环境下被活化,提高了土壤重金属的钝化效果和固化修复效果。
本发明的另一目的在于提供一种修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,操作步骤简单,控制方便,制备效率高,成本低,制得的修复剂性能稳定,可适用于大规模生产,且能对污染土壤进行有效的重金属钝化修复。
本发明的再一目的在于提供一种应用修复重金属污染土壤的修复剂的土壤修复方法,操作步骤简单,控制方便,通过先后进行干搅拌和湿搅拌,能促进修复剂在土壤中的分散均匀性,使其对土壤进行有效的重金属钝化,降低土壤中重金属的迁移率和浸出率,进而降低土壤的毒性。
本发明的目的通过下述技术方案实现:一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 3-8份
磷酸铁铵 2-7份
铁基化合物 3-8份;
所述铁基化合物为硫酸铁、硝酸铁和氯化铁中的至少一种。
本发明通过采用复合硅酸盐水泥、磷酸铁铵和铁基化合物复合作为修复剂,利用上述铁基化合物中的三价铁离子,在与污染土壤混合过程中加入的水中的OH-反应生成Fe(OH)3,通过表面吸附、共同沉淀对污染土壤中的铅、镉进行固化,实现重金属的钝化,降低铅、镉的迁移性和有效性,同时抑制土壤由于pH值高而活化砷酸离子,降低土壤pH值和减少土壤钝化后砷的浸出,降低土壤的重金属毒性;与亚铁离子相比,三价铁离子在空气中的稳定性更佳,在土壤修复过程中能更充分有效地发挥作用;而采用的磷酸铁铵(NH4FePO4·H2O)可溶性高,其磷酸根离子能将土壤中离子态的砷和铅反应,生成磷酸盐沉淀,并能与镉通过表面络合和共沉淀作用,将镉固定在磷基化合物内部,降低重金属的迁移性和有效性,有效地将土壤中非残渣态重金属离子转化为残渣态,降低土壤中重金属的浸出毒性;而磷酸铁铵中的铁离子能调节土壤的pH值呈弱碱性,并能使砷在弱碱性环境下稳定固化;而复合硅酸盐水泥作为土壤胶体的主体,在土壤自然净化的过程中改变介质中金属的形态,降低重金属的进浸出毒性,其中的硅酸根可以与Cd、As等重金属反应,生成不易被植物吸收的硅酸化合物沉淀,同时其中的硅酸盐吸附能力强,能对土壤中的重金属进行有效的吸附,且复合硅酸盐水泥的稳定性高、分散悬浮性好、空隙率大、离子交换性高、吸附性强,与铁基化合物相作用对重金属污染土壤进行修复的同时,不改变土壤的结构,提高土壤的稳定性。更为优选的,所述铁基化合物是由硫酸铁、硝酸铁和氯化铁以重量比为2-3:1.5-2.5:1组成的混合物。
优选的,该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 1.5-2.5份
聚合铁铝化物 1-1.5份
石灰 0.8-1.6份。
本发明采用的磷基化合物能在较大pH范围内与多种金属离子形成磷酸盐沉淀,与土壤中的砷和铅反应形成氟磷铅矿沉淀,降低土壤中的砷和铅的重金属含量,并能与镉通过表面络合和共沉淀作用,将镉固定在磷基化合物内部,降低重金属的迁移性和有效性,有效提高修复剂对土壤中重金属的固定化、钝化的作用,有效降低土壤浸出后的金属毒性。
而采用的聚合铁铝化物,能显著降低土壤中交换态的Pb、Cd的含量,降低其活性和有效性,起到钝化金属活性的作用,实现污染土壤的修复;而含铁类化合物对重金属砷有较佳的吸附固化作用,并砷酸根与铁、铝、钙、镁形成难溶化合物,且结合能力为铁型砷强于铝型砷,因而通过采用聚合铁铝化物能有效地对砷进行固化、钝化,降低土壤中重金属的浸出率。同时,通过严格控制聚合铁铝化物的用量,能避免过量的聚合铁铝化物会使土壤中引入氯离子、并影响作物的生长。
而采用的石灰为碱性物质,其加入会提高土壤pH值,使得Pb、Cd等重金属离子会形成氢氧化物沉淀,降低其生物有效性,并能通过改变土壤pH、土壤阳离子交换量、土壤微生物群落组成、土壤氧化还原电位等多种机制协同作用对重金属进行吸附、络合,促进土壤中Cd离子由有效形态转变为难以利用的形态,对土壤的重金属进行活性的钝化,实现对污染土壤的修复。但石灰的添加量不能过多,若用量过多,则会使得土壤呈碱性,提高了As的活性,使其在土壤中的浸出率过高,对土壤的性质和结构造成损害。
优选的,所述磷基化合物为羟基磷灰石、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠、磷酸二氢铵和磷酸二氢钾中的至少一种。
本发明通过采用上述种类的磷基化合物,能在较大的pH范围内与多种金属离子形成磷酸盐沉淀,降低金属离子的迁移性和有效性,进而起到修复污染土壤的作用;其中,磷酸二氢钙、磷酸二氢钠、磷酸二氢铵和磷酸二氢钾中含有的磷酸氢根不仅可以与弱酸性土壤发生中和反应,提升土壤的pH值,还可以提供钙离子、钠离子、钾离子和铵离子,分别形成钙盐、钠盐、钾盐和铵盐,补充土壤的肥力;而磷酸二氢铵中的铵根与水中氢氧根结合,使本来加入水泥和石灰后呈强碱性土壤的pH值得到降低,使得土壤呈弱碱性,减少土壤中砷的浸出;而羟基磷灰石则对镉、铅有显著的表面络合吸附和共沉淀作用,降低土壤中镉、铅的含量,达到修复土壤的作用。更为优选的,所述磷基化合物为羟基磷灰石、磷酸二氢钠和磷酸二氢铵以重量比为2.4-3.2:1:1.5-2.5组成的混合物。
优选的,所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和/或聚合铁铝氧化物;所述石灰的氧化钙含量为75-85%、粒径为0.8-1.5mm。
本发明通过采用聚合铁铝化物,能显著降低土壤中交换态的Pb、Cd的含量,并能利用含铁类化合物对重金属砷进行有效的吸附固化作用,砷酸根与铁、铝形成难溶化合物,进而降低土壤中的Pb、Cd、As的含量,降低土壤中重金属的浸出率。其中,采用的聚合氯化铝铁能明显降低可交换态的砷含量,且对结合态的砷含量影响很小,稳定性高,使得结合态砷的浸出率地;而采用的聚合铁铝氧化物,能显著降低土壤中交换态的Pb、Cd的含量,使土壤的交换态Pb、Cd转变为稳定的氧化结合态,降低了土壤中Pb、Cd的浸出率。更为优选的,所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3-4组成的混合物。
本发明通过严格控制石灰中氧化钙的含量,使得氧化钙在后续与土壤、水混合后,生成氢氧化物,提高土壤pH值,使得Pb、Cd等重金属离子会形成氢氧化物沉淀,降低其生物有效性,但土壤pH值则会提高As的活性和迁移率,因而严格控制氧化钙的含量为75-85%,含量过高,则使得土壤的pH值过高,含量过低,则降低了Pb、Cd等重金属离子的吸附、离子交换作用,降低了重金属离子形成的氢氧化物沉淀量,进而降低了重金属离子的固化、钝化作用;而通过严格控制石灰的粒径,能提高其与其他物料、与土壤之间的充分混合度和分散性,使其均匀分散地对金属离子进行钝化、固化,降低土壤中重金属的浸出率。
优选的,该修复剂还包括2-5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2-3份木炭、1.2-1.8份坡缕石、0.2-0.6份钢渣和2.5-3份磷矿粉。
本发明通过采用上述种类的物料作为修复剂的钝化辅助剂,能显著提高修复剂对重金属离子的吸附、络合和沉淀作用,提高修复剂的钝化、固化作用;其中,采用的木炭和坡缕石利用其较大的比表面积和孔容,能有效地吸附土壤中的重金属,并进行表面络合,降低重金属离子的迁移率和有效性,进而降低土壤的重金属浸出率,其中木炭可显著提高土壤中的过氧化氢酶和酸性磷酸活性酶,促使土壤中的重金属形成沉淀,且木炭中的大量微孔和比表面积能有效吸附形成的沉淀,降低土壤中的重金属含量。而采用的钢渣和磷矿粉使土壤呈碱性,进而使得土壤中的重金属在碱性环境下形成沉淀而被钝化;同时,磷矿粉表面的钙离子与土壤中的重金属发生离子交换反应,使土壤中交换态重金属离子转变为稳定性高的结合态离子,降低其在土壤中的迁移率和浸出率,进而降低重金属在土壤中的毒性。
优选的,该修复剂还包括0.8-1.2份有机酸,每份所述有机酸包括3-4份柠檬酸、1.5-2.5份酒石酸、1-1.5份草酸和1-1.5份乳酸。
本发明的修复剂通过采用有机酸,能有效降低土壤的pH值,抑制由于土壤pH值高而活化的砷酸离子、以及其他在碱性条件下被活化的重金属离子,减少土壤钝化后砷的浸出,降低土壤的重金属毒性;且有机酸表面的羧基与土壤中Pb、Cd、Cr、Zn等金属离子发生络合,生成稳定的络合物,降低重金属离子的迁移率和浸出率,抑制作物对重金属离子的吸收,降低土壤中重金属离子对作物的影响;其中,柠檬酸和酒石酸具有较佳的生物降解性,在降低土壤pH的同时能对土壤中的生物毒性进行降解,促进土壤中重金属的解析,促进其与钝化辅助剂、聚合铁铝化物、磷基化合物和铁基化合物等物质的吸附络合作用,形成稳定态的沉淀物质,降低重金属离子的迁移率和浸出率。
优选的,所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为2-5mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.0-7.5,然后继续搅拌20-30min,搅拌完毕后在温度为55-60℃下静置、老化20-30h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
本发明通过上述步骤制备聚合铁铝氧化物,使制得的聚合铁铝氧化物具有较大的比表面积,能有效吸附土壤中的重金属离子,并将土壤中交换态Pb、Cd转变为稳定的氧化结合态,降低了土壤重金属的迁移率和浸出率;其中,步骤B中通过采用边搅拌边滴加的方式加入氢氧化钠溶液,提高混合溶液中的三氯化铁和三氯化铝与氢氧化钠之间的分散均匀性和接触面积,使得生成稳定状态的聚合铁铝氧化物,并通过调节溶液体系的pH值,使制得的聚合铁铝氧化物呈弱碱性,能抑制土壤中重金属砷的浸出,降低土壤的毒性;并经静置老化,使各物料充分反应,表面产生微孔,生成比表面积大、稳定的聚合铁铝氧化物。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现:一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
本发明通过采用上述步骤制备修复剂,能使修复剂各物料分散均匀,操作步骤简单,控制方便,制备效率高,成本低,制得的修复剂性能稳定,可适用于大规模生产,且能对污染土壤进行有效的重金属钝化修复。
本发明的再一目的通过下述技术方案实现:一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为22-30℃下进行养护5-7天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
本发明通过采用上述步骤利用修复剂对土壤进行修复,能均匀分散于土壤中,对土壤进行有效的重金属钝化,降低土壤中重金属的迁移率和浸出率,进而降低土壤的毒性;其中,通过先将修复剂和土壤进行干搅拌,能提高两者的混合度,提高修复剂的分散性,然后再加入水分进行湿搅拌,使得修复剂中的铁基化合物、石灰等物料与水中的OH-反应生成弱碱性的氢氧化物,进而通过表面吸附、共同沉淀对污染土壤中的Pb、Cd进行固化,实现Pb、Cd的钝化,降低Pb、Cd离子的迁移性和有效性,同时抑制土壤由于pH值高而活化砷酸离子,降低土壤pH值和减少土壤钝化后砷的浸出,降低土壤的重金属毒性;再经过在室温条件下的长时间养护,使修复剂对土壤进行充分的离子交换、沉淀、吸附等作用,降低土壤中重金属离子的迁移率和浸出率,进而降低土壤的毒性。
优选的,所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为8-12:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为55-60:40-45。
本发明通过严格土壤样品与修复剂的混合比例,能对污染土壤进行有效的修复,同时,不破坏土壤的结构和性能;若修复剂的用量过多,则会过多地引入其他离子,影响土壤的性质和结构,甚至使得土壤呈强碱性、损伤土壤的稳定性等性能;若修复剂的用量过少,则降低了对污染土壤的修复作用,难以降低土壤的金属浸出毒性。
而通过严格控制混剂土壤与去离子水的混合料液比,能使修复剂中的铁基化合物、石灰等物料与水中的OH-反应生成弱碱性的氢氧化物,进而通过表面吸附、共同沉淀对污染土壤中的Pb、Cd进行固化,同时利用其弱碱性抑制土壤由于pH值高而活化砷酸离子,降低土壤pH值和减少土壤钝化后砷的浸出;若去离子水的用量过少,则物料中的铁基化合物、石灰等物料难以充分水解形成弱碱性的氢氧化物,对Pb、Cd的固化作用降低,且降低了修复剂对土壤的修复成弱碱性的作用,使得As在碱性土壤中迁移率高,活性大,容易浸出,导致土壤的金属毒性大;若去离子水的用量过多,则降低了修复剂在土壤中的分散浓度,降低了其修复性能,且容易使得土壤呈酸性或弱酸性,降低了土壤中Pb、Cd的钝化作用,使其迁移率较大,易于浸出,导致土壤的金属毒性大。
本发明的有益效果在于:本发明的修复剂通过采用复合硅酸盐水泥和铁基化合物复合,能同时对污染土壤中的铅、镉、砷进行钝化,有效降低钝化后的土壤中铅、镉、砷的浸出浓度,并使土壤的pH值呈弱碱性,避免砷等重金属离子在碱性环境下被活化,提高了土壤重金属的钝化效果和固化修复效果。
本发明的修复剂制备方法,操作步骤简单,控制方便,制备效率高,成本低,制得的修复剂性能稳定,可适用于大规模生产,且能对污染土壤进行有效的重金属钝化修复。
本发明应用该修复对重金属污染土壤的修复方法,操作步骤简单,控制方便,通过先后进行干搅拌和湿搅拌,能促进修复剂在土壤中的分散均匀性,使其对土壤进行有效的重金属钝化,降低土壤中重金属的迁移率和浸出率,进而降低土壤的毒性。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与土壤修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为25℃下进行养护6天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为10:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为55:45。
实施例2
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 3份
磷酸铁铵 2份
铁基化合物 3份;
所述铁基化合物为氯化铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 1.5份
聚合铁铝化物 1份
石灰 0.8份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢钙。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝;所述石灰的氧化钙含量为75%、粒径为0.8mm。
该修复剂还包括2份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2份木炭、1.2份坡缕石、0.2份钢渣和2.5份磷矿粉。
该修复剂还包括0.8份有机酸,每份所述有机酸包括3份柠檬酸、1.5份酒石酸、1份草酸和1份乳酸。
所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.0,然后继续搅拌20min,搅拌完毕后在温度为55℃下静置、老化230h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为22℃下进行养护5天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为8:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为57:43。
实施例3
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 4份
磷酸铁铵 3份
铁基化合物 4份;
所述铁基化合物为硝酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 1.8份
聚合铁铝化物 1.1份
石灰 1.0份。
所述磷基化合物为磷酸二氢钠和/或磷酸二氢钾。
所述聚合铁铝化物为聚合铁铝氧化物;所述石灰的氧化钙含量为78%、粒径为1.0mm。
该修复剂还包括3份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.2份木炭、1.4份坡缕石、0.3份钢渣和2.6份磷矿粉。
该修复剂还包括0.9份有机酸,每份所述有机酸包括3.2份柠檬酸、1.8份酒石酸、1.1份草酸和1.1份乳酸。
所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.1,然后继续搅拌22min,搅拌完毕后在温度为53℃下静置、老化28h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为26℃下进行养护7天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为9:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为56:44。
实施例4
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2份
聚合铁铝化物 1.2份
石灰 1.2份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢铵。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3.5组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括3.5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.5份木炭、1.5份坡缕石、0.4份钢渣和2.7份磷矿粉。
该修复剂还包括1.0份有机酸,每份所述有机酸包括3.5份柠檬酸、2份酒石酸、1.2份草酸和1.2份乳酸。
所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为3.5mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.3,然后继续搅拌25min,搅拌完毕后在温度为57℃下静置、老化25h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为26℃下进行养护6天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为10:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为55:45。
实施例5
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 6份
磷酸铁铵 6份
铁基化合物 6份;
所述铁基化合物是由硫酸铁、硝酸铁和氯化铁以重量比为2:1.5:1组成的混合物。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2.3份
聚合铁铝化物 1.3份
石灰 1.4份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石、磷酸二氢钠和磷酸二氢铵以重量比为2.4:1:1.5组成的混合物。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为83%、粒径为1.3mm。
该修复剂还包括4份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.8份木炭、1.8份坡缕石、0.5份钢渣和2.8份磷矿粉。
该修复剂还包括1.1份有机酸,每份所述有机酸包括3.8份柠檬酸、2.3份酒石酸、1.3份草酸和1.3份乳酸。
所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.3,然后继续搅拌23min,搅拌完毕后在温度为58℃下静置、老化22h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为28℃下进行养护7天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为11:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为58:42。
实施例6
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 8份
磷酸铁铵 7份
铁基化合物 8份;
所述铁基化合物是由硫酸铁、硝酸铁和氯化铁以重量比为3:2.5:1组成的混合物。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2.5份
聚合铁铝化物 1.5份
石灰 1.6份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石、磷酸二氢钠和磷酸二氢铵以重量比为3.2:1:2.5组成的混合物。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:4组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为85%、粒径为1.5mm。
该修复剂还包括5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括3份木炭、1.8份坡缕石、0.6份钢渣和3份磷矿粉。
该修复剂还包括1.2份有机酸,每份所述有机酸包括4份柠檬酸、2.5份酒石酸、1.5份草酸和1.5份乳酸。
所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.5,然后继续搅拌30min,搅拌完毕后在温度为60℃下静置、老化20h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
一种如上所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
一种应用上述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为30℃下进行养护7天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为12:1;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为60:40。
对比例1
本实施例与上述实施例4的区别在于:
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份。
磷酸铁铵 5份
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2份
聚合铁铝化物 1.2份
石灰 1.2份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢铵。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3.5组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括3.5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.5份木炭、1.5份坡缕石、0.4份钢渣和2.7份磷矿粉。
该修复剂还包括1.0份有机酸,每份所述有机酸包括3.5份柠檬酸、2份酒石酸、1.2份草酸和1.2份乳酸。
对比例2
本实施例与上述实施例4的区别在于:
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
聚合铁铝化物 1.2份
石灰 1.2份。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3.5组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括3.5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.5份木炭、1.5份坡缕石、0.4份钢渣和2.7份磷矿粉。
该修复剂还包括1.0份有机酸,每份所述有机酸包括3.5份柠檬酸、2份酒石酸、1.2份草酸和1.2份乳酸。
对比例3
本实施例与上述实施例4的区别在于:
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2份
石灰 1.2份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢铵。
所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括3.5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.5份木炭、1.5份坡缕石、0.4份钢渣和2.7份磷矿粉。
该修复剂还包括1.0份有机酸,每份所述有机酸包括3.5份柠檬酸、2份酒石酸、1.2份草酸和1.2份乳酸。
对比例4
本实施例与上述实施例4的区别在于:
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2份
聚合铁铝化物 1.2份
石灰 1.2份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢铵。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3.5组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括1.0份有机酸,每份所述有机酸包括3.5份柠檬酸、2份酒石酸、1.2份草酸和1.2份乳酸。
对比例5
本实施例与上述实施例4的区别在于:
一种修复重金属污染土壤的修复剂,该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 5份
磷酸铁铵 5份
铁基化合物 5份;
所述铁基化合物为硫酸铁。
该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 2份
聚合铁铝化物 1.2份
石灰 1.2份。
所述磷基化合物为羟基磷灰石和/或磷酸二氢铵。
所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和聚合铁铝氧化物以重量比为1:3.5组成的混合物;所述石灰的氧化钙含量为80%、粒径为1.2mm。
该修复剂还包括3.5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2.5份木炭、1.5份坡缕石、0.4份钢渣和2.7份磷矿粉。
为了说明通过实施例1-6和对比例1-5制得修复剂的实际应用效果,现对被处理土壤进行处理前后的pH值、铅浓度、镉浓度和砷浓度的测定。
(一)测试方法
1、pH值的测试
称取相同质量处理前后的土壤,采用电位法测定土壤pH值。
2、铅浓度、镉浓度和砷浓度的测定。
从修复后的土壤中取样,检测根据固体废物《浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)采用翻转振荡器对土壤进行浸出试验,检测修复后的土壤重金属浓度。
浸出测试的具体步骤如下:
(1)将浓硫酸和浓硝酸以质量比为2:1混合成混合液,然后加入至水中(1L水中约两滴混合液),使pH值为3.20±0.05,制得浸出剂;
(2)称取10g固化稳定化后的土壤样品置于具盖容器中,在105℃下烘干,恒重至两次称量值的误差小于1%,计算样品含水率;
(3)称取50g土壤样品通过9.5mm孔径筛的样品,置于2L提取瓶中,根据样品的含水率,按液固比10:1(L/kg)计算所需浸提剂的体积,加入浸提剂,盖紧瓶盖后固定在翻转式震荡装置上,调节转速为30±2r/min,于23±2℃下震荡18±2h,震荡停止后进行真空抽滤,收集浸出液,常温保存。
(4)取100ml浸出液,置于200ml烧杯中,加入5ml硝酸,在电热板上加热消解,确保样品不沸腾,蒸置10ml左右;加入5ml硝酸和2ml高氯酸继续消解,蒸置1ml左右,如果消解不完全,再加入5ml硝酸和2ml高氯酸,再蒸置1ml左右,取下冷却,加水溶解残渣,通过中速滤纸滤入50ml容量瓶中。
(5)运用火焰法和原子荧光法分别测得出浸出铅、镉及砷浓度。
(二)测试结果
利用上述浸出方法测得被污染土壤中重金属铅总浓度(价态、化合态、结合态和结构态)为683mg/L、镉浓度(价态、化合态、结合态和结构态)为132mg/L和砷浓度(价态、化合态、结合态和结构态)为765mg/L,重金属铅的总浓度超过GB/T-14848-2017中地下水的铅总量标准(铅总浓度标准为400mg/L),重金属镉的总浓度超过GB/T-14848-2017中地下水的镉总量标准(镉总浓度标准为20mg/L),重金属砷的总浓度超过GB/T-14848-2017中地下水的砷总量标准(砷总浓度标准为400mg/L)。
因而,分别利用本发明实施例2-6和对比例1-5中的修复药剂对其进行修复,先对修复前污染土壤中重金属铅测出其离子态浓度为18.89mg/L,重金属镉离子态浓度为2.93mg/L,重金属砷离子态浓度为9.16mg/L。
利用实施例1-6和对比实施例1-5中的修复剂修复土壤前后的土壤pH值如下表1所示,修复前后的土壤铅浸出浓度、镉浸出浓度和砷浸出浓度的检测结果如下表2所示。
修复处理前的pH值 | 修复处理后的pH值 | 修复处理变化效果 | |
实施例2 | 6.02 | 8.58 | +2.56 |
实施例3 | 6.03 | 8.62 | +2.59 |
实施例4 | 6.02 | 8.64 | +2.62 |
实施例5 | 5.97 | 8.60 | +2.63 |
实施例6 | 5.98 | 8.59 | +2.61 |
对比例1 | 6.02 | 7.28 | +1.26 |
对比例2 | 6.00 | 7.74 | +1.74 |
对比例3 | 6.01 | 7.78 | +1.77 |
对比例4 | 5.99 | 7.02 | +1.03 |
对比例5 | 5.97 | 7.66 | +1.69 |
表1利用本发明修复剂修复污染土壤前后的土壤pH值
表2利用本发明修复剂修复污染土壤前后的土壤铅、镉和砷的浸出浓度
由上述结果可知,采用本发明实施例1-6制得的修复剂对重金属污染土壤有显著的重金属固定化修复效果,土壤中铅、镉和砷的浸出浓度均有显著的下降,且一定程度地提高了土壤的碱性,使得土壤呈弱碱性,既能有效改善酸性土壤对作物的生长影响,又能降低土壤中的砷活性,降低其对土壤和作物的毒性,修复后的土壤重金属浸出浓度符合GB/T-14848-2017中地下水的铅离子价态浸出浓度(小于0.1mg/L)、镉离子价态浸出浓度(小于0.0mg/L)、砷离子价态浸出浓度(小于0.05mg/L)。
其中,与实施例4相比,对比例1的修复剂中不含有铁基化合物,其土壤pH值升高1.26,土壤pH值为7.28,土壤中砷、铅和镉的浸出浓度下降较少,且砷、铅和镉的浸出浓度超出GB/T-14848-2017中地下水的标准;说明本发明的土壤修复剂通过采用铁基化合物,能利用铁基化合物中的三价铁离子,在与污染土壤混合过程中加入的水中的OH-反应生成Fe(OH)3,通过表面吸附、共同沉淀对污染土壤中的铅、镉进行固化,实现重金属的钝化,降低铅、镉的迁移性和有效性,同时抑制土壤由于pH值高而活化砷酸离子,降低土壤pH值和减少土壤钝化后砷的浸出,降低土壤的重金属毒性。
与实施例4相比,对比例2中的修复剂中不含有磷基化合物,其土壤pH值升高1.74,土壤pH值为7.74,而土壤中的砷浸出浓度下降效果相对较弱,铅和镉的浸出浓度同样下降较少,且砷、铅和镉的浸出浓度超出GB/T-14848-2017中地下水的标准;说明本发明的土壤修复剂通过采用磷基化合物,能在较大pH范围内与多种金属离子形成磷酸盐沉淀,与土壤中的砷和铅反应形成氟磷铅矿沉淀,降低土壤中的砷和铅的重金属含量,并能与镉通过表面络合和共沉淀作用,将镉固定在磷基化合物内部,降低铅、镉、砷的迁移性和有效性,有效提高修复剂对土壤中重金属的固定化、钝化的作用,有效降低土壤浸出后的金属毒性。
与实施例4相比,对比例3中的修复剂中不含有聚合铁铝合化合物,其土壤pH值升高1.77,土壤pH值为7.78,而土壤中砷、铅和镉的浸出浓度下降相对较少,改善浸出毒性效果不明显,且砷、铅和镉的浸出浓度超出GB/T-14848-2017中地下水的标准;说明本发明的土壤修复剂通过采用聚合铁铝合化合物,能显著降低土壤中交换态的Pb、Cd的含量,降低其活性和有效性,起到钝化金属活性的作用,实现污染土壤的修复,且含铁类化合物对重金属砷有较佳的吸附固化作用,其中的砷酸根与铁、铝、钙、镁形成难溶化合物,能对Pb、Cd、As进行有效的固定化,降低其在土壤中的浸出率。
与实施例4相比,对比例4中的修复剂中不含有钝化辅助剂,其土壤pH值升高1.03,土壤pH值为7.02,土壤中砷、铅和镉的浸出浓度下降相对较少,改善浸出毒性效果不明显,且砷、铅和镉的浸出浓度超出GB/T-14848-2017中地下水的标准;说明本发明的土壤修复剂通过采用钝化辅助剂(木炭、坡缕石、钢渣和磷矿粉),利用木炭和坡缕石较大的比表面积和孔容,有效地吸附土壤中的重金属,并进行表面络合,降低重金属离子的迁移率和有效性,并结合钢渣和磷矿粉,使得土壤呈碱性,促进铅和镉在碱性环境下的固定化,降低重金属在土壤中的迁移率和浸出率,降低土壤中的重金属毒性。
与实施例4相比,对比例5中的修复剂中不含有有机酸,其土壤pH值升高1.69,土壤pH值为7.66,土壤中砷、铅和镉的浸出浓度同样下降相对较少,且砷、铅和镉的浸出浓度超出GB/T-14848-2017中地下水的标准;说明本发明的土壤修复剂通过采用有机酸,能有效降低土壤的pH值,抑制由于土壤pH值高而活化的砷酸离子、以及其他在碱性条件下被活化的重金属离子,减少土壤钝化后砷的浸出,降低土壤的重金属毒性,且有机酸表面的羧基与土壤中Pb、Cd、Cr、Zn等金属离子发生络合,生成稳定的络合物,降低重金属离子的迁移率和浸出率,抑制作物对重金属离子的吸收,降低土壤中重金属离子对作物的影响。
上述实施例为本发明较佳的实现方案,除此之外,本发明还可以其它方式实现,在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:该修复剂包括如下重量份的原料:
复合硅酸盐水泥 3-8份
磷酸铁铵 2-7份
铁基化合物 3-8份;
所述铁基化合物为硫酸铁、硝酸铁和氯化铁中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:该修复剂还包括如下重量份的原料:
磷基化合物 1.5-2.5份
聚合铁铝化物 1-1.5份
石灰 0.8-1.6份。
3.根据权利要求2所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:所述磷基化合物为羟基磷灰石、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠、磷酸二氢铵和磷酸二氢钾中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:所述聚合铁铝化物为聚合氯化铁铝和/或聚合铁铝氧化物;所述石灰的氧化钙含量为75-85%、粒径为0.8-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:该修复剂还包括2-5份钝化辅助剂,每份所述钝化辅助剂包括2-3份木炭、1.2-1.8份坡缕石、0.2-0.6份钢渣和2.5-3份磷矿粉。
6.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:该修复剂还包括0.8-1.2份有机酸,每份所述有机酸包括3-4份柠檬酸、1.5-2.5份酒石酸、1-1.5份草酸和1-1.5份乳酸。
7.根据权利要求4所述的一种修复重金属污染土壤的修复剂,其特征在于:所述聚合铁铝氧化物由如下步骤制得:
A、将三氯化铁溶液和三氯化铝溶液以比例为1:1混合,搅拌均匀,制得混合溶液;
B、将步骤A制得的混合溶液继续搅拌,边搅拌边滴加浓度为2-5mol/L的氢氧化钠溶液,滴加完毕后调节pH值至7.0-7.5,然后继续搅拌20-30min,搅拌完毕后在温度为55-60℃下静置、老化20-30h;
C、将步骤B老化后混合溶液进行离心,分离得到沉淀物,并用去离子水冲洗沉淀物,经干燥后得到聚合铁铝氧化物。
8.一种如权利要求1-7任一项所述修复重金属污染土壤的修复剂的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:按照重量份,将修复剂各物料进行混合搅拌,分散均匀,制得修复剂。
9.一种应用权利要求1-7任一项所述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤(1):取自然风干后的土壤样品,与修复剂混合均匀,然后加入水,搅拌均匀,得到混剂土壤;
步骤(2):向步骤(1)得到的混剂土壤中加入去离子水,搅拌均匀,然后在温度为22-30℃下进行养护5-7天;
步骤(3):将步骤(2)养护后的混剂土壤进行浸出毒性测试。
10.根据权利要求9所述的一种应用所述修复重金属污染土壤的修复剂的污染土壤修复方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述土壤样品与修复剂的混合比例为8-12:3;所述步骤(2)中,混剂土壤与去离子水的混合料液比为55-60:40-45。
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