聚合氯化铝铁改性坡缕石对土壤中重金属的钝化修复效应

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aa284636706
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重金属作为一种毒性强且难降解的无机污染物,一旦累积在土壤中,就会对生态系统造成严重破坏。因此,选择低成本、见效快的原位钝化技术来降低土壤重金属的生态毒性和环境风险,具有相当重要的现实意义。坡缕石是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物,可通过离子交换吸附、同晶置换、表面络合和水解沉淀等作用固定土壤中的重金属。但是,天然的坡缕石黏土矿物含有较多的杂质,严重影响了其良好性能。聚合氯化铝铁作为一种无机阳离子型高分子物质,具有电荷中和能力强,吸附性能优良且沉淀速度快的特性。目前,利用聚合氯化铝铁复合改性坡缕石制备新型钝化材料,并将其应用于土壤重金属污染修复的相关研究少见报道。因此,开展本项研究工作可为当前重金属污染土壤的治理提供新的理论依据和数据支持。本研究采用聚合氯化铝铁和甘肃临泽坡缕石作为原料,通过浸渍法将聚合氯化铝铁按不同质量分数(5%,10%,15%,20%和25%)掺入到聚合氯化铝铁-坡缕石复合材料中,制备聚合氯化铝铁改性坡缕石,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)等现代分析测试手段表征改性坡缕石的微观形貌、官能团特征和晶相组成。采集制备人工模拟Cd污染土壤和实际矿区重金属复合污染土壤,将聚合氯化铝铁改性坡缕石,按质量分数为4%的投加量施用到目标土壤中进行钝化实验,结合盆栽实验和种子萌发实验来进一步验证其钝化效果。钝化完成后,根据土壤基本理化性质特征、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)单级提取态和毒性特征浸出(TCLP)态重金属含量、重金属BCR化学形态分布、种子萌发情况和植物生长指标等因子对聚合氯化铝铁改性坡缕石的钝化效果及生态毒性进行评价。结果表明:(1)通过扫描电子显微镜、X射线衍射图谱和傅里叶红外光谱分析可知,经酸活化预处理后,坡缕石中的石英及碳酸盐等杂质得以去除,孔隙结构更加丰富。聚合氯化铝铁改性坡缕石其棒晶解束后团聚,呈团粒状及絮状聚合体,可直接接触的面积增大,羟基/硅羟基特征峰增强,钝化材料中存在坡缕石与聚合氯化铝铁的共有基团。(2)向两种重金属污染土壤中投加不同质量比例的聚合氯化铝铁改性坡缕石,可显著改善土壤环境的物理化学性质,且改性材料对不同土壤的作用影响不同。其中,向人工模拟Cd污染土壤中施用聚合氯化铝铁改性坡缕石,土壤的p H值和电导率(EC)较对照组显著提高,土壤阳离子交换量(CEC)较对照组显著降低。向实际矿区复合重金属污染土壤中施用聚合氯化铝铁改性坡缕石,土壤的p H值较对照组显著降低,土壤电导率较对照组显著提高,土壤阳离子交换量较对照组无明显变化趋势。(3)向不同重金属污染土壤中投加聚合氯化铝铁改性坡缕石钝化材料,可有效降低土壤中重金属的生物有效态含量和浸出毒性,但同一钝化材料对不同重金属的钝化能力存在差异。聚合氯化铝铁的掺入量为25%时,Cd、Cu、Zn和Ni的钝化效果最好;聚合氯化铝铁的掺入量为5%时,Pb和Cr的钝化效果最好。其中DTPA提取态Cd含量较对照组降幅最大,最高可达31.75%,TCLP提取态Cr含量较对照组降幅最大,最高可达66.01%。此外,改性材料对Pb的处理能力最弱,DTPA和TCLP两种形态分别较对照组降低14.28%和20.06%。(4)聚合氯化铝铁改性坡缕石的施用可促使土壤重金属由活性较高的酸溶态组分向活性较低的残渣态组分转化。同样地,当聚合氯化铝铁的质量占比为25%时,Cd、Cu、Zn和Ni的形态转化最明显;当聚合氯化铝铁的掺入量为5%时,Pb和Cr的形态转化最明显。其中,重金属Cr的转化率最高,土壤中酸溶态Cr的百分比由对照组中的13.87%降至5.42%,土壤残渣态Cr的百分比由对照组中的9.73%升高至25.27%。改性材料对Pb的钝化能力较弱,与对照组相比,土壤酸溶态Pb的含量降低了17.24%,土壤残渣态Pb的含量提高了10.7%。(5)向重金属污染土壤中投加聚合氯化铝铁改性坡缕石钝化材料,可缓解重金属对玉米植株的毒害作用,促进玉米种子的萌发及玉米幼苗的生长。当聚合氯化铝铁的质量占比为25%时,玉米根长、茎长、根茎鲜生物量、根茎干生物量及种子萌发指标均达最大值。其中,玉米种子相对根伸长率RRE和萌发指数GI分别为83.69%和83.68%。聚合氯化铝铁改性坡缕石具有较大的比表面积、良好的离子交换能力及表面络合性能,在很大程度上降低了土壤重金属的生物毒性和生态风险,因此可应用于实际重金属污染农田土壤的钝化修复。
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