支链淀粉诱导CaCO3矿化微观形态及吸附性能研究

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2017年九寨沟发生的7.0级大地震使得火花海自然遗产点受损严重,课题组研制出糯米灰浆绿色修复材料对其进行了修复。糯米灰浆在中国已经有数千年的应用历史,但是其在水环境中和钙华地质中的应用还未见报道。为了研究糯米灰浆材料和水体的相互作用及其对新生钙华的影响。本文利用气体扩散法研究了糯米灰浆中主要的有机质-支链淀粉/无机离子对碳酸钙(CaCO3)矿化的诱导作用,CaCO3对水体的净化作用以及由支链淀粉对CaCO3二次沉积的诱导作用。同时,对火花海坝体新生钙华进行了监测。得到的具体成果如下:(1)支链淀粉作为CaCO3的成核位点,和无机离子协同诱导CaCO3的矿化,形成不同形貌和粒径的CaCO3。纯的支链淀粉存在时,形成六边形片状球霰石并逐渐组装形成南瓜状的球霰石,并且随着矿化时间的延长逐渐转变为更稳定的方解石。不同无机离子和支链淀粉协同诱导下,CaCO3的形貌和晶型也受到很大程度的影响。Mg2+存在时,促进棒状或哑铃状方解石的形成。K+存在时,诱导方解石的形成且出现改性的菱形形貌。Fe3+存在时,有利于六个面均出现阶梯状的凹陷的大粒径方解石生长。Al3+存在时,形成80~85μm的绣球状的层状球霰石晶体。SO42-存在时,倾向于形成球型的文石结构,HCO3-存在时,可以促进形成8~10μm的小颗粒层状结构的不规则立方体方解石。本研究为糯米灰浆中CaCO3的矿化过程提供了一些启示。(2)不同形貌和晶型的CaCO3对溶液中Pb2+都具有去除效果。其中,Mg2+和支链淀粉协同诱导形成的棒状方解石对Pb2+的吸附量最大,可达到1445.86 mg g-1,对几种CaCO3吸附Pb2+的机理分析发现,CaCO3对Pb2+的吸附倾向于均相介质表面的单分子层吸附,并且为化学吸附过程。这些结果为糯米灰浆在水体中的应用提供了理论支撑。(3)以支链淀粉为有机质基底,可以促进CaCO3的二次沉积。支链淀粉为基底,PAA-CaCO3为种子层,Mg2+或SO42-作为添加剂时,CaCO3的沉积结构倾向于形成由小颗粒CaCO3紧密排列的连续的膜结构,HCO3-作为沉积层的添加剂时,沉积层主要形成由扇形的球状结构堆积而成的CaCO3薄膜。当三种离子以一定的比例混合作为添加剂时,离子之间的竞争作用使得沉积层形成片状的CaCO3薄层结构。以上结果为糯米灰浆上钙华的二次沉积提供了理论支撑。(4)糯米灰浆对新生钙华的沉积具有一定的促进作用。通过对新生钙华点进行采样发现,糯米灰浆上的新生钙华的生长主要分三段,颗粒较小的CaCO3种子层,沿着特定方向生长的中间层,以及颗粒较大且排列紧密的表面层。新形成的钙华和原生钙华具有一样的表观颜色,能很好的和自然环境相融。证明了糯米灰浆材料在钙华景观修复中的重要的应用价值。
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