CN113231456A - 一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤的修复技术，尤其涉及一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，包括如下步骤：1、制备新型磁性复合粒子；2、破碎筛分污染土颗粒；3、投加新型磁性复合粒子；4、外加磁场作用，磁性分离新型磁性复合粒子，有效去除土壤中的重金属，修复后的土壤进行回填。本发明利用磁选技术，通过磁性复合粒子对重金属进行吸附和还原，破碎筛分污染土颗粒，将水与土壤颗粒进行混合，重金属部分溶出到水体中，再用磁性复合粒子将重金属从水体中转化或富集，最后通过磁铁将吸附有重金属的磁性复合粒子与土壤分离，可以有效去除土壤中的重金属，并对磁性复合粒子进行回收再次利用，具有治理成本低，修复效率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及土壤的修复技术，尤其涉及一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法。
背景技术
20世纪以来，我国在经济快速发展的同时，加速了对矿产资源的开采，矿业的发展导致尾矿产生量逐年增多，因尾矿库溃坝、尾砂泄漏等事故而造成的环境污染问题十分突出。而铅锌矿尾矿库重金属污染一个重要的途径是尾矿库尾砂和选矿废水非正常排放导致关联地表水体受污染，对环境和社会发展造成巨大负面影响，其中最为突出的为土壤重金属污染，其将进一步加剧土壤环境的污染灾害程度，降低土壤质量，减少作物产出，并通过水、植物等媒介进入到生物圈，最终影响人类身体健康。
目前对于磁性颗粒在土壤重金属污染修复中的研究并不多，磁性颗粒在修复土壤重金属污染的过程存在诸多的问题，如土壤颗粒结合态重金属流动性不如在水中，不能与磁性颗粒充分有效的反应，同时和土壤反应作用后的磁性颗粒很难从土壤中分离回收，但是现有的研究结果能够表明该类材料对土壤重金属污染修复有积极作用。
目前已有学者制备了直径为10-100um的磁性吸附材料A，该材料对镉有良好的去除效果，其去除率可以达到84.9％；并研发了磁性固体合材料材料B，其对农田土壤镉的移除修复效果，进而发现投加0.4％-1.2％的MSC材料并进行磁选回收对总镉和有效态镉的去除率分别为15.91％-17.69％和33.33％-50.26％。
对于铅锌尾矿污染后的重金属土壤，传统铁粉比表面积大，还原吸附效果受到强烈限制：一是土壤重金属污染物在土壤中流动性差、滞留时间长，限制了污染物分子与铁表面的接触，不利于土壤中还原反应的进行；二是土壤重金属污染物不能被微生物降解，而普通铁粉活性有限，将更难于将其快速降解。
发明内容
本发明的目的是针对铅锌尾矿重金属重度造成的土壤污染，提出一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，可以提高重金属污染物与磁性复合粒子表面的接触，吸附并分离出土壤中重金属。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，具体步骤如下：
S1、改性铁粉颗粒制备：(1)改性溶液配置：去离子水1-2L与80-160g Na2SiO3进行混合，采用20-30％质量分数的硫酸溶液调节pH，使用pH最终为3-5；(2)反应温度：将配置好的改性溶液单独存放在温度为60-80摄氏度的水浴箱中静置0.5-3h；(3)改性铁粉：按照比例铁粉：硫化铁：3-巯丙基三乙氧基硅烷＝500-600g：10-20g：10-20g的比例投入到配置好的改性溶液当中，常温下搅拌10小时，过滤后获得改性的磁性铁颗粒，即为新型的磁性复合粒子；
S2、将采集的污染土壤破碎后筛取低于0.01-1.0mm的颗粒；再将水和土颗粒充分混合，搅拌均匀后，使固定在土颗粒中的部分重金属溶出；
S3、向步骤S2得到的水-土颗粒混合液中投加磁性复合粒子，采用搅拌设备将水-土颗粒混合液与磁性复合粒子充分混合，每100g土壤中加入磁性复合粒子10-25g，使磁性复合粒子分别与土颗粒中和水中的重金属发生物理和化学作用，充分发挥磁性复合粒子的吸附和还原功能；
S4、将步骤S3得到的混合物震荡，再利用外加磁场作用进行磁性分离，之后将分离得到的纯净水-土壤颗粒混合液进行水与土壤的分离，分离水回用，经分离后的土壤回填。
优选的，所述磁性复合粒子选自3-巯丙基三乙氧基硅烷和硫化铁改性铁粉。
优选的，所述磁性复合粒子为微米级或者纳米级改性铁粉颗粒，铁粉颗粒表面具有蜂窝状结构。
优选的，所述外加磁场的来源为磁铁。
优选的，其中所述3-巯丙基三乙氧基硅烷的纯度为90-99％，硫化铁为FeSO4*7H2O，纯度为92-99％，铁粉的纯度98-100％的1微米至10纳米级颗粒，常温的搅拌速度为30-50转/分钟。
其中混合反应的作用是使水、受污染土壤颗粒和磁性复合粒子充分的混合，将土壤颗粒结合态重金属部分溶出到水体中，使自由态重金属更加有利的和磁性复合粒子反应和作用。
将磁性复合粒子和水-土壤颗粒混合液中的重金属在混合反应器中充分混合，磁性复合粒子和重金属充分接触。磁性复合粒子通过吸附的方式对土壤中部分重金属进行聚集，通过还原反应对重金属进行还原去除。以Cd2+为例，磁性复合粒子通过吸附和还原特性将Cd2+与土壤进行分离，物理吸附将Cd2+聚集到磁性复合粒子的表面，化学吸附还原将镉离子逐步还原为金属镉，通过吸附和还原反应将混合液中的重金属去除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用磁选技术，通过磁性复合粒子对重金属进行吸附和还原，破碎筛分污染土颗粒，将水与土壤颗粒进行混合，重金属部分溶出到水体中，再用磁性复合粒子将重金属从水体中转化或富集，最后通过磁铁将吸附有重金属的磁性复合粒子与土壤分离，可以有效去除土壤中的重金属，并对磁性复合粒子进行回收再次利用，具有治理成本低，修复效率高的特点。
附图说明
图1为本发明中实施例一的磁性复合粒子为原材料和通过磁性复合粒子修复后的土壤的断面图。
图2为本发明中实施例二的未添加磁性复合粒子的污染土壤的断面图。
图3为本发明中实施例三的磁性复合粒子修复在纯水中重金属后的断面图。
图中：1、磁铁；2、吸附有污染土中重金属的磁性复合粒子；3、修复后的土壤颗粒；4、未加入磁性复合粒子的土壤颗粒；5、吸附有纯水中重金属的磁性复合粒子；6、修复后的纯净水。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本实例采用发明提出的方法对某铅锌尾矿区表层污染土壤进行处理。本研究设计为几份土壤，水含量相同的样品，每份土壤量为100g，水的体积1000mL，磁性复合粒子的量为10-25g，依次增加磁性复合粒子的量，研究随着磁性复合粒子量的增加，考察其对土壤中重金属去除率的变化。先将1-2L去离子水与80-160gNa2SiO3混合并通过20-30％质量分数的硫酸溶液调节pH至3-5，配值改性溶液，再取500-600g铁粉、10-20g硫化铁、10-20g3-巯丙基三乙氧基硅烷投入改性溶液中，充分混合，制得新型磁性复合粒子。再将采集的污染土壤进行破碎筛分污染土颗粒，并通过混合反应装置将水、土壤颗粒充分混合，再分别加入不同量的配置好的新型磁性复合粒子，充分混匀，使水、土壤颗粒和磁性复合粒子充分接触，再利用外加磁场作用将吸附有重金属的磁性复合粒子分离出，水土混合液进入水土分离装置，实现水和土壤的分离，对其进行测量各项参数以及重金属含量，再根据添加磁性复合粒子前后水和土壤中重金属的浓度，计算水体和土壤颗粒中重金属的去除率。
实施例二
本实例采用发明提出的方法对某铅锌尾矿区表层污染土壤进行处理(和实施例一在同一点取样)。为了与磁性复合粒子去除土壤中重金属形成对照，本研究分析未加磁性复合粒子的污染状况，这里土壤量为100g，水的体积100-1000mL，测定土壤中重金属的去除率。先将采集的污染土壤进行破碎筛分污染土颗粒，再将水、土壤颗粒经混合反应装置充分混合，分别测定混合液水中和土壤颗粒中重金属的含量，水土颗粒混合液进入水土分离装置，实现水和土壤的分离，对其进行测量各项参数以及重金属含量，并计算水体和土壤颗粒中重金属的去除率。
实施例三
为了与磁性复合粒子去除土壤中重金属形成对照，研究了纯水中重金属(锌、铅、镉、铜、铬、镍、汞和砷)的去除率。水溶液体积为1000mL，水溶液中重金属的浓度与某铅锌尾矿区表层污染土壤重金属浓度相同，磁性复合粒子的投加量为10-25g/L。将1-2L去离子水与80-160gNa2SiO3混合并通过20-30％质量分数的硫酸溶液调节pH至3-5，配值改性溶液，再取500-600g铁粉、10-20g硫化铁、10-20g3-巯丙基三乙氧基硅烷投入改性溶液中，充分混合，制得新型磁性复合粒子，再配置含有相同重金属浓度的水溶液，分别加入不同量的配置好的新型磁性复合粒子，充分混匀，使水和磁性复合粒子充分接触，再利用外加磁场作用将吸附有重金属的磁性复合粒子分离出，对其进行测量各项参数以及重金属含量，再根据投加磁性复合粒子前后水中重金属的浓度变化，计算水中重金属的去除率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、改性铁粉颗粒的制备：(1)改性溶液配置：去离子水1-2L与80-160g Na2SiO3进行混合，采用20-30％质量分数的硫酸溶液调节pH，使用pH最终为3-5；(2)反应温度：将配置好的改性溶液单独存放在温度为60-80摄氏度的水浴箱中静置0.5-3h；(3)改性铁粉：按照比例铁粉：硫化铁：3-巯丙基三乙氧基硅烷＝500-600g:10-20g:10-20g的比例投入到配置好的改性溶液当中，常温下搅拌10小时，过滤后获得改性的磁性铁颗粒，即为新型的磁性复合粒子；
S2、将采集的污染土壤破碎后筛取低于0.01-1.0mm的颗粒；再将水和土颗粒充分混合，搅拌均匀后，使固定在土颗粒中的部分重金属溶出；
S3、向步骤S2得到的水-土颗粒混合液中投加磁性复合粒子，采用搅拌设备将水-土颗粒混合液与磁性复合粒子充分混合，每100g土壤中加入磁性复合粒子10-25g，使磁性复合粒子分别与土颗粒中和水中的重金属发生物理和化学作用，充分发挥磁性复合粒子的吸附和还原功能；
S4、将步骤S3得到的混合物震荡，再利用外加磁场作用进行磁性分离，之后将分离得到的纯净水-土壤颗粒混合液进行水与土壤的分离，分离水回用，经分离后的土壤回填。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，其特征在于，所述磁性复合粒子选自3-巯丙基三乙氧基硅烷和硫化铁改性铁粉。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，其特征在于，所述磁性复合粒子为微米级或者纳米级改性铁粉颗粒，铁粉颗粒表面具有蜂窝状结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，其特征在于，所述外加磁场的来源为磁铁。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁性复合粒子的重金属污染土壤修复方法，其特征在于，其中所述3-巯丙基三乙氧基硅烷的纯度为90-99％，硫化铁为FeSO4*7H2O，纯度为92-99％，铁粉的纯度98-100％的1微米至10纳米级颗粒，常温的搅拌速度为30-50转/分钟。
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