楊云平 任子杰 高惠民 王 康 李建德

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070;3.國(guó)家硅材料深加工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,江蘇 連云港 222300)

研究表明,硅酸鈣板孔隙率高且含有托貝莫來(lái)石,在污水處理和土壤改良等方面應(yīng)用前景廣闊[6-7]。LUO等[8]向城市垃圾焚燒灰中加入氫氧化鈉和腐殖酸混合溶液,經(jīng)過(guò)水熱處理制得托貝莫來(lái)石,能有效吸附污水中的Cu2+,吸附量達(dá)270.3 mg/g。韓劍宏等[9]以粉煤灰提鋁工業(yè)廢物為原料制備的硅酸鈣污水處理劑,可有效去除富營(yíng)養(yǎng)化湖水中的氨氮。單偉等[10]以硅酸鈉和硝酸鈣為原料制備硅酸鈣,結(jié)果表明:所制備硅酸鈣不僅可以有效吸附溶液中的Cd2+,還對(duì)土壤中的Cd2+有較好的鈍化效果,有望作為土壤改良劑來(lái)修復(fù)重金屬污染土壤。

為充分利用硅酸鈣板廢棄物,分別以拋光粉和廢棄硅酸鈣板為原料制備污水處理劑和土壤改良劑,探究其對(duì)鉛溶液中Pb2+的吸附效果和鉛污染土壤中Pb2+的固化效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)硅酸鈣板拋光粉。取自內(nèi)蒙古某公司,粒度均在74 μm以下。經(jīng)過(guò)XRD分析,其主要成分為托貝莫來(lái)石和未反應(yīng)完全的石英砂,含有少量的方解石、消石灰,直接作為拋光粉吸附劑和拋光粉改良劑使用。

(2)廢棄硅酸鈣板。市售硅酸鈣板,經(jīng)過(guò)XRD分析,其主要成分為托貝莫來(lái)石和未反應(yīng)完全的石英砂,與硅酸鈣板粉末主要物相基本相同。將其破碎、篩分,取-74 μm粒級(jí)產(chǎn)物作為廢棄硅酸鈣板吸附劑;同樣方法取-900+150 μm、-150 μm 2個(gè)粒級(jí),將這2個(gè)粒級(jí)按照質(zhì)量比1∶1混合制備廢棄硅酸鈣板改良劑。

(3)含鉛污水。稱取3.197 g硝酸鉛,加入去離子水,充分?jǐn)嚢?配制得到Pb2+濃度為2 000 mg/L的硝酸鉛溶液。

(4)供試土壤、污染土壤。土壤取自武漢市周邊農(nóng)田,經(jīng)過(guò)XRD分析,其主要物相為石英,含少量長(zhǎng)石、云母、富鐵鈉閃石、剛玉、鈣鎂電氣石等,將其碾碎過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩作為供試土壤。取1 kg供試土壤,加入配制好的硝酸鉛溶液,攪拌均勻,加入去離子水,使土壤含水率達(dá)到20%,每天稱重,補(bǔ)水,使土壤水分保持穩(wěn)定,熟化7 d后配制成污染土壤,Pb2+濃度為2 000 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)吸附試驗(yàn)。取一定質(zhì)量的吸附劑置于燒杯中,加入濃度為2 000 mg/L的Pb2+溶液,25 ℃水浴充分?jǐn)嚢? h,自然沉淀后,將燒杯中上清液移入離心管離心,然后用原子吸收光譜法測(cè)定離心管上清液中的Pb2+濃度。

項(xiàng)目地處西北某省，海拔高度：1 550 m；環(huán)境溫度： 最高42.7 ℃，最低-25.3 ℃；廠區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向:西北風(fēng)，平均風(fēng)速7.9 m/s，最大風(fēng)速34 m/s。

(2)脫附試驗(yàn)。取一定質(zhì)量的吸附劑,加入過(guò)量Pb2+溶液(V1=250 mL),在25 ℃水浴條件下充分?jǐn)嚢?使其達(dá)到飽和吸附,離心并固液分離,用去離子水清洗過(guò)濾得到的固體,以去除未被吸附劑吸附的鉛離子,測(cè)定溶液中Pb2+濃度為C1=741.303 7 mg/L。再加入去離子水(V2=250 mL),25 ℃水浴,每隔1 d攪拌6 h,定期取上清液檢測(cè)溶液中Pb2+濃度C2,按下式計(jì)算脫附率k

(3)土壤中重金屬固化試驗(yàn)。取一定質(zhì)量的污染土壤,加入一定質(zhì)量的改良劑,充分?jǐn)嚢?加入去離子水,使土壤含水率達(dá)到20%,每天稱重、補(bǔ)水,定期取土壤,按照《土壤質(zhì)量 有效鉛和鎘的測(cè)定》(GB/T 23739—2009)測(cè)定有效Pb2+含量。

(4)土壤物理性質(zhì)改良試驗(yàn)。取一定質(zhì)量的供試土壤,加入一定質(zhì)量的改良劑,充分?jǐn)嚢?加入自來(lái)水,使土壤含水率達(dá)到20%,定期檢測(cè)土壤中含水率的變化,室內(nèi)放置20 d后檢測(cè)土壤容重及pH。按照《土壤水分測(cè)定》(NY/T 52—1987)測(cè)定土壤水分,按照《土壤容重的測(cè)定》(NY/T 1121.4—2006)測(cè)定土壤容重,按照《土壤pH值的測(cè)定》(NY/T 1121.2—2006)測(cè)定土壤pH。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2種吸附劑對(duì)Pb2+的吸附效果研究

2.1.1 吸附試驗(yàn)

取50mL濃度為2000mg/L的Pb2+溶液12份,依次分別加入2種吸附劑0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.00 g,按照1.2節(jié)(1)描述的方法進(jìn)行吸附試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 吸附劑濃度對(duì)Pb2+吸附效果的影響Fig.1 Influence of adsorbent concentration on Pb2+adsorption effect

由圖1(a)可知:隨著拋光粉吸附劑用量的增加,Pb2+濃度持續(xù)減少;且溶液pH值隨吸附劑用量的增加緩慢上升,溶液中H+離子減少,與Pb2+的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用減弱,有利于Pb2+的吸附[11]。吸附劑濃度達(dá)到1%時(shí),溶液中Pb2+已經(jīng)基本被吸附完全。吸附劑濃度為0.5%時(shí),此時(shí)溶液中Pb2+濃度為675.8 mg/L,溶液中還有大量的Pb2+,達(dá)到飽和吸附,利用文獻(xiàn)[12]的方法計(jì)算出對(duì)Pb2+的吸附量為264.84 mg/g,硅酸鈣板拋光粉對(duì)重金屬Pb2+的吸附效果較好[13]。

由圖1(b)可知:廢棄硅酸鈣板吸附劑對(duì)Pb2+的吸附效果與拋光粉吸附劑基本相同。吸附劑濃度為1%時(shí),Pb2+基本吸附完全。吸附劑濃度為0.5%時(shí),達(dá)到飽和吸附,Pb2+的吸附量為275.12 mg/g,略高于硅酸鈣板拋光粉對(duì)Pb2+的吸附量。

由于拋光粉中還含有Ca(OH)2,可能會(huì)使溶液中的Pb2+發(fā)生沉淀,而不是被托貝莫來(lái)石吸附[14]。因此計(jì)算了濃度為2 000 mg/L的Pb2+溶液中Pb2+發(fā)生沉淀的最小pH值,為7.51。由圖1(a)可知:當(dāng)拋光粉吸附劑添加量為4%時(shí),溶液pH值為7.38,此時(shí)溶液中Pb2+濃度已經(jīng)為零,說(shuō)明鉛溶液中的Pb2+均被硅酸鈣板拋光粉所吸附。

2.1.2 脫附試驗(yàn)

2種污水處理劑吸附效果相似,因此只對(duì)硅酸鈣板拋光粉進(jìn)行脫附試驗(yàn)。硅酸鈣板拋光粉添加量為0.5%時(shí)達(dá)到飽和吸附狀態(tài),故向250 mL Pb2+濃度為2 000 mg/L的鉛溶液中加入1.25 g的硅酸鈣板拋光粉,按照1.2中(2)描述的方法進(jìn)行脫附試驗(yàn)。脫附試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 脫附試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Desorption test results

由圖2可知:隨著脫附天數(shù)的增加,剛開(kāi)始溶液中Pb2+濃度和脫附率上升較快,最終逐漸趨于平穩(wěn),且脫附率一直較低。吸附劑對(duì)Pb2+的吸附較為牢固,最終脫附率只有1.52%,說(shuō)明試驗(yàn)所用吸附劑不僅對(duì)Pb2+吸附容量較大,而且吸附牢固[15]。

2.2 不同廢棄物對(duì)土壤中重金屬固化效果研究

取14份質(zhì)量相同的污染土壤,每份2 kg,分別加入與土壤質(zhì)量比0、0.2%、0.5%、1%、2%、4%、6%的2種改良劑,添加去離子水,使土壤含水率保持在20%,每天稱重,補(bǔ)水,使土壤水分基本保持不變。分別在7、14 d取樣,測(cè)定其有效鉛離子含量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同添加量條件下2種改良劑固化土壤中Pb2+試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of immobilization of Pb2+ in soil by two amendments with different concentrations

由圖3可知:當(dāng)改良劑添加量為0時(shí),第7 d中土壤中有效Pb2+含量并不是2 000 mg/kg,且第14 d土壤中有效Pb2+含量較第7 d略低,說(shuō)明土壤中的一些成分具有吸附作用,少量的Pb2+被土壤吸附[16-17]。

由圖3(a)可知:土壤中有效Pb2+含量隨著拋光粉改良劑添加量的增加而減少,這是因?yàn)閽伖夥塾昧康脑黾犹岣吡藪伖夥叟c土壤中Pb2+的接觸,使土壤中的Pb2+更容易被吸附。培養(yǎng)天數(shù)的增加使得土壤中有效Pb2+含量降低,這是因?yàn)槊刻斐掷m(xù)的補(bǔ)水,部分Pb2+溶解到水中而被拋光粉吸附。

由圖3(b)可知:硅酸鈣板制備的改良劑和拋光粉對(duì)土壤中的Pb2+的固化效果基本相同,效果良好。若提高土壤中的Pb2+與改良劑的接觸概率,使其充分接觸,改良效果將會(huì)繼續(xù)提高[18]。

2.3 不同廢棄物對(duì)土壤理化性質(zhì)改良的研究

取相同土壤12份,每份2 kg,分別向其中加入與土壤質(zhì)量比0、2%、4%、6%、8%、10%的2種改良劑,向每份土壤中加入1 000 mL的水(每10 d加500 mL),室外培養(yǎng)20 d,檢測(cè)土壤的pH值、含水率和容重。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖4。

表1 拋光粉和廢棄硅酸鈣板改良土壤試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of soil improvement with polishing powder or calcium silicate board improver

圖4 不同添加量條件下2種改良劑改良土壤試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of soil improvement with two kinds of soil amendments in different concentrations

由圖4(a)可知:隨著拋光粉改良劑添加量的增加,土壤pH值緩慢升高,土壤容重大幅度下降。說(shuō)明拋光粉改良劑不僅可以有效地改良酸性土壤,還可以降低土壤容重,增加土壤孔隙率,防止土壤板結(jié)[19-20]。

由表1可知:拋光粉改良劑的加入降低了土壤的含水率。這是因?yàn)橥寥廊葜氐慕档?導(dǎo)致土壤孔隙率升高、表面積增大,水蒸發(fā)速度加快,進(jìn)而含水率降低[20]。但降低幅度很小,說(shuō)明拋光粉對(duì)土壤有保濕效果。

結(jié)合表1與圖4(b)分析可知:隨著廢棄硅酸鈣板改良劑添加量的增加,土壤pH值緩慢升高,幅度較拋光粉低,說(shuō)明其堿性更弱。與拋光粉對(duì)比,廢棄硅酸鈣板制備的改良劑對(duì)降低土壤容重的效果更佳。

3 結(jié) 論

(1)廢棄的硅酸鈣板和拋光粉主要成分均為托貝莫來(lái)石,對(duì)溶液中Pb2+均有較好的吸附效果,拋光粉對(duì)Pb2+的吸附容量為264.84 mg/g,硅酸鈣板拋光粉制備的吸附劑對(duì)Pb2+的吸附容量為275.12 mg/g。脫附試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明托貝莫來(lái)石對(duì)Pb2+的吸附不僅吸附效果好,而且吸附較為牢固。

(2) 2種改良劑對(duì)土壤中的Pb2+均有良好的固化效果,若提高改良劑與土壤中Pb2+的接觸率,改良效果將會(huì)提高。

(3) 2種改良劑均可以大幅度降低土壤容重,但是當(dāng)添加量過(guò)大時(shí),會(huì)增加土壤pH值,拋光粉的堿性要強(qiáng)于硅酸鈣板制備的土壤改良劑。