贝壳粉对重金属离子的吸附机制及在多孔介质中的吸附效果

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当前我国的土壤污染问题日渐显著,为提高土壤质量需要对污染如土壤进行治理,而贝壳粉作为一种小粒径、碱性的材料,可以用作治理重金属污染物的吸附材料。本文研究了贝壳粉对重金属离子的吸附能力和吸附机理,同时分析贝壳粉在处理红土、石英砂中重金属污染物时渗流速度、重金属种类、贝壳粉添加量/浓度等因素对于吸附效果的影响。通过吸附动力学试验、吸附-解吸试验、微观电镜扫描、傅里叶变换红外光谱测试等手段对贝壳粉吸附镉、铅的机理进行了分析。通过静态吸附试验、动态吸附试验研究了贝壳粉对吸附效果的影响。得到的结论如下:(1)通过对贝壳粉的吸附机理进行分析,发现贝壳粉的吸附分为三个阶段:一是表面吸附阶段,该阶段主要依赖于物理吸附吸附速率最快;二是孔隙内扩散阶段,该阶段物理吸附与化学吸附并存,并且通过测试与分析发现在吸附镉时的发生的化学吸附更为强烈;三是平衡阶段,该阶段吸附量不再发生明显变化,吸附处于动态平衡之中。吸附-解吸试验结果显示非线性吸附解吸模型描述贝壳粉吸附-解吸过程最为准确,并且该模型考虑到了残余吸附量,通过对残余吸附量的分析可知其与吸附过程中溶质的浓度成正相关,在高浓度环境中贝壳粉的利用会更高。(2)通过静态吸附试验得到了如下的结论:在中性环境中重金属污染土壤中离子的溶出量是十分有限的,并且在中性环境下贝壳粉的添加量对于试验结果的影响很小,静置时间才是影响吸附效果的主要因素;酸浸试验中在使用一定量贝壳粉等量替换红土后后镉与铅的浸出量都降低了,证明在贝壳粉与红土的竞争吸附中贝壳粉对于这两种重金属表现出了更强的吸附能力;添加一定量的贝壳粉在治理镉污染土壤来说是必要的,而在铅污染的土壤中只要静置时间足够无论是否添加贝壳粉其浸出浓度都可以达到国家标准,因此添加贝壳粉在治理铅污染土壤时只起到优化的作用;酸性环境下游离态重金属更多因此对土壤周边环境的危害更高,而贝壳粉在毒性浸出试验中对浸出液中浓度的影响更大,故贝壳粉在治理酸性环境中土壤重金属污染时能起到的作用会更大。(3)通过动态吸附试验得到结论如下:渗流速度会提高流出液中重金属离子的浓度,同时降低砂柱中各截面上的残余浓度;镉、铅在动态吸附的过程中时存在一定的差别的,流出液中铅离子的浓度略低于镉,截面处的残余浓度则是铅高于镉。而经过贝壳粉溶液冲洗后截面处铅的残余浓度低于镉,这是因为贝壳粉对于铅的吸附效果更好导致的,结合这种现象贝壳粉处理铅污染的粗粒土会具有更好的效果;贝壳粉溶液的浓度是影响吸附效果的最关键因素,升高贝壳粉溶液的浓度,流出液中的重金属离子浓度就会降低,同时砂柱截面处的重金属残余浓度也会降低。此外,提高贝壳粉溶液的浓度还会缩小因渗流速度以及重金属种类不同导致的差异,所以说在动态吸附过程中贝壳粉溶液的浓度是控制吸附效果的关键。
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