【摘 要】
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日益严重的土壤重金属污染对环境和人类产生了巨大的威胁。近年来,水热炭对土壤重金属的原位固化稳定化修复作为一种低成本的修复模式成为关注焦点。目前研究集中在不同生物质改性水热炭对土壤重金属的固定化修复,然而不同环境因素对重金属固定化修复效果的影响研究较少。因此本文采用壳聚糖和木屑经过水热炭化制备三种水热炭(磁性木屑水热炭(MSH)、壳聚糖改性磁性木屑水热炭(CMSH)以及磁性壳聚糖水热炭(MCH)),
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日益严重的土壤重金属污染对环境和人类产生了巨大的威胁。近年来,水热炭对土壤重金属的原位固化稳定化修复作为一种低成本的修复模式成为关注焦点。目前研究集中在不同生物质改性水热炭对土壤重金属的固定化修复,然而不同环境因素对重金属固定化修复效果的影响研究较少。因此本文采用壳聚糖和木屑经过水热炭化制备三种水热炭(磁性木屑水热炭(MSH)、壳聚糖改性磁性木屑水热炭(CMSH)以及磁性壳聚糖水热炭(MCH)),利用傅立叶红外光谱、扫描电镜、元素分析等手段对水热炭的理化性质进行表征。首先探究吸附时间、水热炭投加量对三种水热炭吸附Pb、Zn复合溶液的影响,得到最佳的炭投加量与吸附平衡时间。经过吸附实验的研究,优选出吸附性能较好的磁性水热炭(CMSH与MCH),再进行不同环境影响条件下的土壤培养实验,运用BCR/DTPA等手段对土壤重金属铅、锌各形态含量进行提取分析,探究典型土壤环境因素(初始溶液p H、土壤含水率、腐殖酸添加量以及培养温度)对土壤Pb、Zn固化稳定化效果的影响,同时监测培养过程中土壤p H与TOC的变化。最终结合正交实验与非线性回归模型拟合,分析典型土壤环境条件对Pb、Zn固化稳定化效率以及生物有效性的影响。主要结论如下:(1)水热炭性能表征:表征结果显示MSH、CMSH和MCH均具备良好的稳定性,且炭表面均成功负载大量Fe3O4颗粒。其中理化性质表征表明CMSH表面含有较多极性官能团和一定的亲水性;比表面积、平均孔径、总孔隙度均表现为MCH>MSH>CMSH,MCH比表面积大,能显著提高污染物吸附性能。综合EDS光谱、红外光谱、XRD以及VSM磁性表征发现,三种炭表面成功负载Fe3O4颗粒,其中MCH和CMSH上检测到较强和较弱的Fe-O峰(621 cm-1),且磁滞曲线显示MCH的饱和磁化强度远大于CMSH和MSH。同时扫描电镜表明CMSH表面有明显碳骨架和磁性颗粒团聚,MCH表面均匀负载Fe3O4颗粒且存在规则的中孔结构。(2)吸附实验:探究了三种磁性水热炭在不同炭添加量和不同吸附时间下对复合溶液中Pb、Zn吸附效果的影响,结果表明CMSH和MCH对Pb、Zn的吸附性能更好。其中三种磁性水热炭的最佳投加量均为24 g/L,最佳铅、锌吸附平衡时间为12小时。CMSH和MCH对复合溶液中Pb、Zn具备更强的去除效率和吸附潜力。(3)CMSH土壤培养实验:研究了在不同土壤条件下CMSH对Pb和Zn固化稳定化的影响。结合DTPA有效态与BCR形态分析可得,增加CMSH用量、腐殖酸用量、初始溶液p H、土壤含水率和培养时间,能够降低DTPA-Pb/Zn,促进土壤Pb、Zn的有效固化稳定化作用,其中最佳腐殖酸添加量为5%。同时,Pb、Zn有效态随着环境温度升高而规律性降低,培养温度升高能促进残渣态Zn的积累,但温度对CMSH固定化Pb未造成显著影响。通过正交实验分析,腐殖酸添加量对CMSH固化稳定化Pb、Zn效果的影响最大,其次是初始溶液p H,土壤含水率的影响最小。模型拟合分析发现,初始溶液p H与土壤含水率对稳定态Pb的增长率有协同影响,同时初始溶液p H与腐殖酸添加量对稳定态Zn的增长率也有明显的协同作用。(4)MCH土壤培养实验:研究了不同土壤条件下MCH对Pb和Zn固化稳定化效果的影响。培养过程中土壤理化性质有所改善,土壤p H与TOC均提高。结合DTPA有效态提取和BCR形态分析发现,增加MCH添加量、提高环境温度、添加适量腐殖酸,均能提高有效态Pb、Zn的去除效率,促进土壤残渣态Pb、Zn的转化与积累,实现土壤Pb、Zn的有效固化稳定化。此外,提高土壤含水率和初始溶液p H能显著降低DTPA-Pb并能提高铅锌的残渣态含量,而对DTPA-Zn影响不显著。同时,温度升高还能促进土壤残渣态Zn含量,而对残渣态Pb未造成显著变化。正交实验与拟合模型分析表明,腐殖酸添加量对MCH固化稳定化Pb、Zn效果的影响最大。稳定态Pb的增长率随腐殖酸用量增大呈先增加后下降的趋势,腐殖酸用量与土壤含水率对稳定态Zn的增长率有一定协同影响,腐殖酸施加量对MCH固化土壤Pb与Zn存在显著的正相关作用。
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