纳米施氏矿物的制备及其用于原位修复As(Ⅴ)污染土壤的试验研究

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砷作为剧毒类金属广泛存在于环境中,工业“三废”的不规范排放及滥用含砷农药等导致大量砷被释放进入环境中,造成地下水及土壤的As(Ⅴ)污染。对于城市建筑物下方、人流量大、学校、医院等特殊场所的污染土壤,原位固化/稳定化法凭借其操作简单、效率高、耗费的人力物力等成本较低的特点被广泛采用。铁系材料可用于砷污染修复,但存在吸附容量小、在土壤中易堵塞等不足;纳米材料凭借粒径小、比表面积大、反应性高及在土壤中迁移性好等优势被广泛用于地下水和土壤的原位修复。施氏矿物是一种非晶态羟基铁氧化物,含有大量羟基、硫酸根等基团,对As(Ⅴ)具有极强的吸持能力,在用于处理As(Ⅴ)污染水溶液有较好的效果,但是在原位修复砷污染土壤方面还少有研究。本研究通过加入羧甲基纤维素钠(CMC)及优化制备条件,合成了纳米施氏矿物,表征纳米施氏矿物特性后,探究其对水溶液中As(Ⅴ)的去除性能。再采用纳米施氏矿物对砷污染土壤进行稳定化修复,考察了稳定化动力学过程,并且对矿物投加量、土壤含水率等影响因素进行了探究。最后探究了纳米施氏矿物的迁移性及原位修复砷污染土壤的效果。研究结论如下:(1)通过优化施氏矿物合成过程中H2O2的投加方式、初始Fe2+浓度、体系混合方式等主要条件,制备出具有良好分散性及稳定性、比表面积更大的非晶态纳米施氏矿物;最优条件为:分批投加H2O2、初始Fe2+浓度=80 mmol/L、水平振荡反应、CMC浓度=0.05%,最优条件下合成纳米施氏矿物呈海胆状、平均粒径为60±10 nm、比表面积为4.026 cm3/g。(2)纳米施氏矿物与As(Ⅴ)的反应速率主要受化学吸附过程的影响,其动力学过程符合拟二级动力学方程;纳米施氏矿物对各个浓度As(Ⅴ)的等温吸附曲线与Freundlich等温吸附式拟合结果有更好的相关性,最大吸附容量为102.6 mg/g;纳米施氏矿物的吸附容量受p H值的影响,当p H从4.5升高至8.5,纳米施氏矿物的吸附容量从193.7 mg/g降低至40 mg/g。(3)纳米施氏矿物对土壤中As(Ⅴ)的稳定化的批试验结果表明,纳米施氏矿物对高、低浓度As(Ⅴ)污染土壤中As(Ⅴ)的稳定效率分别可达95.7%和75.6%,土壤浸出液中As(Ⅴ)含量分别从12.15 mg/L和130.95μg/L降低至0.52 mg/L和41.56μg/L;当纳米施氏矿物与As(Ⅴ)的质量比分别为42/1与20/1时,高、低浓度As(Ⅴ)污染土壤中的As(Ⅴ)最佳稳定效率分别是95.76%和67.69%;土壤的含水率在40%时,高、低浓度As(Ⅴ)污染土壤中的As(Ⅴ)稳定效率最佳,分别为93.64%和71.73%;纳米施氏矿物可促使土壤中的As(Ⅴ)从不稳定的非专性吸附态和专性吸附态向更稳定的无定形或弱结晶铁锰矿物结合态及残渣态转变。(4)纳米施氏矿物对As(Ⅴ)的原位修复柱实验结果表明,纳米施氏矿物具有良好的迁移能力,在6 PⅤs时穿透率达到98.89%;用纳米施氏矿物悬浮液作为土柱的淋洗液,对低浓度砷污染土壤来说,在40 PⅤs以后,淋出液中水溶态As(Ⅴ)降低至未检出;对高浓度砷污染土壤来说,纳米施氏矿物悬浮液淋洗柱淋出液与去离子水淋洗柱淋出液相比,58.7%以上的水溶态As(Ⅴ)转化为吸附态As(Ⅴ),被土壤截留。对低浓度砷污染土壤来说,纳米施氏矿物悬浮液能够将水溶性砷全部转化为吸附态As(Ⅴ),被土壤截留中或随纳米施氏矿物迁移。纳米施氏矿物对低浓度As(Ⅴ)污染土壤的修复效果良好,滤液不会造成地下水的污染,且土壤中截留的As(Ⅴ)主要以无定形和弱结晶水合铁锰氧化物结合态存在,使土壤中As(Ⅴ)浸出浓度大幅度降低,远低于危险废物浸出毒性限值和污水排放标准限值。
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