CN113772778B - 一种重金属离子污染的酸化土壤和酸性废水的治理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种重金属离子污染的酸化土壤和酸性废水的治理方法。本发明采用全返混旋转液膜反应器实现钙基水滑石的稳定连续规模化合成，操作简便，工艺简单，生产的钙基水滑石粒径分布均一。将其应用于重金属离子污染的酸化土壤的修复和酸性废水的处理，结果对多种重金属离子均具有快速的去除效率，而且处理容量大，重金属矿化后稳定，不会造成二次污染。即使在极端的酸性条件下，钙基水滑石依然有较好的重金属离子去除效果，同时对酸性环境具有修复作用。

Description

一种重金属离子污染的酸化土壤和酸性废水的治理方法
技术领域
本发明属于酸性重金属污染治理技术领域，具体涉及一种重金属离子污染的酸化土壤和酸性废水的治理方法。
背景技术
随着化工，制革，电镀冶金等行业的发展，工厂排放出大量酸性气体与重金属废液，加剧了酸雨的产生与重金属离子的污染，这导致了土壤的酸化与水体重金属离子超标。目前，酸性土壤大约占世界不冻土的30％，它造成农业减产而且会激活重金属离子，加剧重金属对人体的危害和对环境的污染，已经成为我国乃至世界农业和环境领域亟待解决的关键问题。
目前常用的土壤修复剂多为硅藻土，海泡石，羟基磷灰石，活性炭，凹凸棒，硫化物，氢氧化物等。然而土壤中酸性会激活重金属离子，使重金属的游离性变强并抑制植物对营养元素的吸收，使得这些修复剂暴露出对酸性土壤修复能力差，对重金属离子选择性低，吸附容量小，稳定性差，重金属离子易脱附再次形成污染导致的修复不具备长效性等缺点。因此，设计在酸性土壤及水体中对重金属离子选择性好，吸附容量高，稳定性强的新型超稳矿化剂成为亟待解决的问题。
水滑石材料又称为层状双羟基复合金属氧化物(Layered double hydroxides，LDHs)，化学式为：[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+[Ap- x/p]x-·mH2O，其中M2+表示二价金属阳离子，M3+表示三价金属阳离子，Ap-表示带有p个负电荷的阴离子，x表示M3+/(M2++M3+)金属的比例，m表示结合水分子的数量。水滑石材料是一类两种或两种以上金属元素组成的金属氢氧化物，其结构由带正电荷的主体层板和层间阴离子通过非共价作用组装而成。水滑石具有层板元素及层间阴离子可调变的特点，同时水滑石材料具有较大的比表面积，在重金属，卤素，含氧酸离子，有机物的吸附领域也展现出了极佳的性能。
发明内容
基于以上现有技术，本发明提供了一种重金属离子污染的酸化土壤和酸性废水的治理方法。本发明采用全返混旋转液膜反应器实现钙基水滑石的稳定连续规模化合成，操作简便，工艺简单，生产的钙基水滑石粒径分布均一。将其应用于重金属离子污染的酸化土壤的修复和酸性废水的处理，结果对多种重金属离子均具有快速的去除效率，而且处理容量大，重金属矿化后稳定，不会造成二次污染。即使在极端的酸性条件下，钙基水滑石依然有较好的重金属离子去除效果，同时对酸性环境具有修复作用。
所述的重金属离子污染的酸性废水的处理方法为：将钙基水滑石加入pH为2-6的重金属离子污染的酸性废水中，室温搅拌3-60分钟，即可去除废水中的重金属离子。
所述的重金属离子污染的酸化土壤的修复方法为：播种前，将钙基水滑石撒在重金属离子污染的酸化土壤表面，随后洒水保湿，使表层20-40cm深的土壤与钙基水滑石充分接触，15-30天后正常播种。
所述的重金属离子为铜、镍、锌、钴、镉、汞、铅中的一种或几种。
所述酸化土壤指缺乏碱金属、碱土金属的pH＜7的土壤。
所述钙基水滑石为浆料或固体粉末。
所述钙基水滑石层间的阴离子为氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子中的一种或几种。
所述钙基水滑石的制备方法为：
(1)将可溶钙盐和可溶三价金属盐溶于去二氧化碳去离子水中配制混合盐溶液，其中钙离子与三价金属离子的摩尔比为1-5；配制碱溶液，其中碱的摩尔数是混合盐溶液中钙离子与三价金属离子摩尔数之和的1-5倍；
(2)将混合盐溶液与碱溶液同时加入旋转液膜反应器中混合1-5分钟，将得到的浆液离心，洗涤，得到钙基水滑石浆料，干燥研磨后得到钙基水滑石固体粉末。
所述可溶三价金属盐为铁盐和/或铝盐。
所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或几种。
本发明制备的钙基水滑石，其中的钙原子具有高度活性，在酸性溶液中，钙能够将镉、镍、铜、砷、钴、汞和铅等重金属离子通过同晶取代作用将其锚定在主体结构的晶格中，形成具有极低溶解度的SSMS，从而大幅降低游离态重金属离子的平衡浓度，抑制重金属污染物的溶解性和移动性，显著降低重金属离子在环境中的迁移性和生物有效性，实现对土壤中重金属离子的原位超稳长效矿化。钙基水滑石中结合共价键、静电引力及范德华力等多种作用力的共同制约，使得含重金属离子的水滑石沉淀物的溶度积常数比对应的氢氧化物及碳酸盐的溶度积常数小数十个数量级，使得重金属离子难以游离，实现了重金属离子的高效去除，而且不会造成二次污染。此外，钙基水滑石表面和层间具有丰富的羟基，提供了缓慢释放羟基的位点，实现长久的抗酸性，同时可以修复过酸性的环境。
附图说明
图1为实施例1制备的钙铁水滑石在pH＝5时的丁达尔效应检测。
图2为在pH＝5时，实施例1制备的钙铁水滑石与其他常见修复剂的铜离子去除性能测试数据图。
图3为实施例2制备的钙铝水滑石的XRD图。
图4为实施例2制备的钙铝水滑石的BET测试数据图。
图5为实施例2的钙铝水滑石去除铜离子后所得产物的XRD图。
图6为实施例3中钙铝水滑石对四种重金属混合离子的矿化量随时间变化曲线。
图7为实施例5制备的钙铁水滑石的XRD图。
图8为实施例5的钙铁水滑石矿化镍离子的矿化量随时间变化曲线。
图9为实施例6制备的钙铁铝水滑石的XRD图。
图10为实施例6的钙铁铝水滑石矿化锌离子的矿化量随时间变化曲线。
具体实施方式
【实施例1】
称取15.4g CaCl2和18.2g FeCl3·6H2O溶于400ml去离子中得到溶液A；称取17.6gNaOH溶于400ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速加入转速为4000r/min旋转液膜反应器中混合2分钟，出料口收集浆料，将浆料离心洗涤后60℃干燥12小时研磨后得到钙铁水滑石固体粉末。
钙铁水滑石的抗酸性研究：称取0.10g钙铁水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入100ml含铜500ppm的水溶液，室温下磁力搅拌1小时后待吸附完全后，逐滴加入盐酸调节pH＝6，待pH＝6持续时间为6h以上即认为稳定，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度，标记为钙铁水滑石在pH＝6时所能矿化的铜离子量，并对剩余固液体系进行丁达尔效应检测。同样地调节pH为5.5、5、4.5、4、3.5得到不同酸性条件下的钙铁水滑石对铜的矿化量并检测是否存在丁达尔效应。由结果可知钙铁水滑石在pH＝5-6之间可以稳定矿化铜离子，在3.5-5之间仍然存在一定的矿化能力，在pH＜3才会失去对Cu2+的矿化能力。类似的，我们尝试了其他材料对于恒定pH下的抗酸性吸附测试，氢氧化钙，凹凸棒，海泡石，羟基磷灰石，活性炭均在pH＝5的酸性环境下失去对铜离子的吸附性能，如图1为钙铁水滑石在pH＝5时的丁达尔效应检测，图2为钙铁水滑石与其他修复材料在pH＝5时的吸附性能对比，进一步说明该钙基水滑石在酸性下的稳定性。
将上述制备的钙铁水滑石对湖南、江苏、山东和甘肃四个地方的4000亩重金属离子污染的酸化土壤进行修复，将钙铁水滑石撒在土壤表面，随后洒水保湿，使表层30cm深的土壤与钙铁水滑石充分接触，20天后正常播种。经检测，耕地中重金属含量降至国家标准以下，所生产的小麦及大米粮食作物中的重金属含量低于国家标准。
【实施例2】
称取13.875g CaCl2和15.93g AlCl3·6H2O溶于400ml去离子水中得到溶液A；称取17.6g NaOH溶于400ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速均匀加入转速为2000r/min旋转液膜反应器中返混4分钟后，出料口收集浆料，将浆料离心洗涤后60℃干燥12小时研磨后得到钙铝水滑石固体粉末。
图3为所制备钙铝水滑石的XRD图，由图可以看出所制备的钙铝水滑石呈现出层状材料的结构特征。
配制模拟酸性重金属离子溶液：将13.4mg-1340mg CuCl2·2H2O加去离子水溶解，用500mL容量瓶定容获得不同浓度的铜离子溶液；用20.2mg-2020mgNiCl2·6H2O配制成500mL镍溶液；同样地，配制锌离子，钴离子溶液。将配制好的重金属离子溶液加酸调节pH(2.5-6)为酸性环境下。
钙铝水滑石在pH＝5时对铜离子的去除：称取0.08g钙铝水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入80ml含铜500ppm的水溶液，室温下磁力搅拌1小时后，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度。结果表明，溶液中重金属的浓度大幅降低，钙铝水滑石对混合重金属离子的去除率达到99％以上，展示出极高的效率，将沉淀产物离心分离，其XRD测试数据如图5所示。
钙铝水滑石在pH＝3时对镍离子的去除：称取0.08g钙铝水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入80ml含镍500ppm的水溶液，室温下磁力搅拌1小时后，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度。结果表明，溶液中重金属的浓度大幅降低，钙铝水滑石对重金属离子的去除率达到99％以上，展示出极高的效率。
类似的，对pH＝3-6之间的锌，钴，铅，镉重金属离子采用同样的方式，钙铝水滑石均可实现对重金属离子的高效去除。
【实施例3】
称取13.875g CaCl2和15.93g AlCl3·6H2O溶于400ml去离子中得到溶液A；称取17.6g NaOH溶于400ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速加入转速为3000r/min旋转液膜反应器中混合5分钟，出料口收集浆料，将浆料离心洗涤后60℃干燥12小时研磨后得到钙铝水滑石固体粉末。
钙铝水滑石在pH＝3时对重金属离子的去除：称取0.08g钙铝水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入80ml含铜，锌，镍，钴各100ppm的水溶液，调节pH＝3，室温下磁力搅拌1小时后，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度。结果表明，溶液中重金属的浓度大幅降低，钙铝水滑石对混合重金属离子的去除率达到99％以上，展示出极高的效率，性能如图6所示。
【实施例4】
称取14.17g Ca(NO3)2·4H2O和12g Al(NO3)3·9H2O溶于200ml去离子中得到溶液A；称取8.8g NaOH溶于200ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速加入转速为3500r/min旋转液膜反应器中混合2分钟，出料口收集浆料。
将合成好的浆料加入到pH＝2，含铜、锌、镍的电镀槽液中，搅拌1h，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度，结果将Cu从90000mg/L降低至0.46mg/L，Ni从170mg/L降低至0.04mg/L，Zn从1100mg/L降低至0.21mg/L，并且将处理后的溶液pH调整为中性，达到WHO饮用水标准。
【实施例5】
称取15.4g CaCl2和18.2g FeCl3·6H2O溶于400ml去离子中得到溶液A；称取17.6gNaOH溶于400ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速加入转速为4000r/min旋转液膜反应器中混合2分钟，出料口收集浆料，将浆料离心洗涤后60℃干燥12小时研磨后得到钙铁水滑石固体粉末，钙铁水滑石XRD图谱如图7。
钙铁水滑石在pH＝5时对镍离子的去除：称取0.08g钙铁水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入80ml含镍500ppm的水溶液，室温下磁力搅拌1小时后，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度。结果表明，溶液中重金属的浓度大幅降低，展示出极高的效率，相关性能如图8。
【实施例6】
称取15.4g CaCl2，9.1g FeCl3·6H2O和7.965gAlCl3·6H2O溶于400ml去离子中得到溶液A；称取17.6g NaOH溶于400ml的去离子水中得到溶液B；将溶液A，溶液B同时快速加入转速为3000r/min旋转液膜反应器中混合5分钟，出料口收集浆料，将浆料离心洗涤后60℃干燥12小时研磨后得到钙铁铝水滑石固体粉末，钙铁铝水滑石XRD图谱如图9。
钙铁铝水滑石在pH＝5时对锌离子的去除：称取0.08g钙铁铝水滑石于100mL的圆底烧瓶中，加入80ml含镍500ppm的水溶液，室温下磁力搅拌1小时后，取上层溶液后用0.22μm的过滤膜过滤后通过ICP-OES测其中重金属离子的浓度。结果表明，溶液中重金属的浓度大幅降低，展示出极高的矿化去除效率，相关性性能如图10。

Claims (2)

1.一种重金属离子污染的酸性废水的处理方法，其特征在于，所述的处理方法的具体操作为：将固体粉末的钙基水滑石加入pH为2-3的重金属离子污染的酸性废水中，室温搅拌3-60分钟，即可去除废水中的重金属离子；
所述的重金属离子为铜、镍、锌、钴中的一种或几种；
所述钙基水滑石的制备方法为：
（1）将可溶钙盐、铝盐溶于去二氧化碳去离子水中配制混合盐溶液，其中钙离子与铝离子的摩尔比为1-5，所述铝盐为氯化铝或硝酸铝；配制碱溶液，其中碱的摩尔数是混合盐溶液中钙离子与铝离子摩尔数之和的1-5倍；
（2）将混合盐溶液与碱溶液同时加入旋转液膜反应器中混合1-5分钟，将得到的浆液离心，洗涤，得到钙基水滑石浆料，干燥研磨后得到钙基水滑石固体粉末。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或几种。
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