稀土尾矿库周边土壤环境特征分析及土壤胶体对Ce(Ⅲ)的吸附性研究

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稀土元素(REE)是一类性质极其特殊的元素,被广泛应用在各种高精尖行业里,是国民经济的重要支撑。我国是稀土开采量与供应量最大的国家,近年来稀土矿的选冶却引发了巨大的环境问题。尾矿的长时间堆置可能导致其中的有毒有害物质,诸如稀土、硫酸根、氯离子等向环境中迁移,生态风险逐年加剧;研究区地处我国西北,本就特殊的土壤环境可能也已发生变化;同时土壤胶体在土壤中广泛存在,其对稀土元素的吸附性能可能也影响着稀土元素的空间分布情况,相关研究已刻不容缓。以北方某稀土尾矿库区东南方向地块为研究区,对12个布样点采集表层(0~20 cm)、中层(20~40 cm)和深层(40~60 cm)土壤样品。对研究区土壤样品中的稀土元素进行测试分析,对其赋存特征、分异特征、空间分布、控制因素及环境源头进行系统性探讨。结果表明:研究区中稀土元素总量为138.27~5823.51 mg/kg,平均值为1035.48 mg/kg,显示出空间变异性强和轻稀土富集的特征。其中,轻稀土元素(LREE)含量的平均值为1002.90 mg/kg,重稀土元素(HREE)含量的平均值为32.58 mg/kg;球粒陨石标准化结果表明,研究区稀土元素呈现不同程度的Ce和Eu相对亏损,说明Ce和Eu已向环境中发生了迁移;反距离权重插值(IDW)分析和相关性分析结果进一步说明研究区土壤中稀土元素由选冶尾矿的堆积产生,以随风扩散和大气沉降方式迁移。在全球气候变暖的大背景下,研究区土壤中稀土元素表现出“夏多冬少”的特征。另外对研究区土壤样品的理化性质进行测试分析,并运用克里金插值法对各指标进行空间分布的预测。发现研究区土壤贫瘠,不适宜植被生长,其中氮(N)元素含量为0.50~1.22 mg/kg,速效钾(K)含量为195.55~490.50 mg/kg;有效铁(Fe)含量为2.58~28.84 mg/kg,交换态锰(Mn)含量为11.33~51.27 mg/kg;钙元素含量为6.29~39.85 mg/kg,镁(Mg)元素含量为4.63~9.81 mg/kg,各项指标符合营养元素的垂直分布,也显示出空间分布不均的特征。另外,研究区土壤盐碱化严重,属于盐土级别,其中氯离子(Cl-)含量为15.30~2286.00 mg/kg,硫酸根离子(SO42-)含量为187.67~3059.00 mg/kg。选取研究区内的土壤提取土壤胶体作为吸附主体、研究区土壤稀土元素中含量最高的Ce(Ⅲ)作为吸附客体,通过BET、SEM、XRD、FTIR等手段表征土壤胶体并研究其对Ce(Ⅲ)的等温吸附、吸附动力学和吸附热力学特性,另外在冻融循环下、高盐碱下、选矿药剂添加下于实验室内模拟稀土元素的环境稳定性。结果表明土壤胶体是一种介孔材料,其对稀土元素Ce(Ⅲ)的吸附是一种均匀表面的、物理和化学吸附共同参与的反应过程;冻融作用会影响土壤胶体对Ce(Ⅲ)的吸附效果,吸附效果和冻结循环次数呈正相关,和冻结温度呈负相关;选矿药剂和土壤盐碱化也是吸附效果的负面因素。本研究为稀土污染的源头控制和尾矿库周边地区的生态治理提供参考依据。
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