钾长石改性材料的制备及其对铅、镍的吸附性能与稳定化研究

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重金属在环境中很难降解,具有长久的潜伏性,从而对人类的健康可能构成严重的威胁。本研究主要用碳羟基磷灰石(CHAP)对哈密钾长石(RK)进行负载改性得到材料(CHAK),考察CHAK对水中Pb2+、Ni2+的吸附性能以及对土壤中Pb、Ni生物有效态的影响,再通过盆栽苜蓿试验验证其稳定效果。研究内容有以下几个方面:1、钾长石改性材料的制备与表征对哈密钾长石进行负载碳羟基磷灰石改性,结合单因素实验和响应面分析实验对CHAK的制备条件进行优化。最佳制备条件:CO32-与PO43-的摩尔比为0.23,RK与羟基磷灰石(HAP)质量比为0.4,搅拌时间为2 h,搅拌温度为43.1°C,陈化时间为24 h。该条件下合成的CHAK对Ni2+的吸附率为92.9%与响应面模型预测值93.3%基本相符合,较原材料吸附率提高了9倍多。结合BET、FTIR、SEM、XRD和EDS mapping表征手段分析RK改性前后其结构、形貌发生的变化,结果表明:CHAP成功地负载在RK上,使其表面变得蓬松、粗糙,比表面积和总孔体积分别较原材料增大了近60、55倍,更加有利于对重金属的吸附。2、利用CHAK对水中Pb2+、Ni2+分别进行静态吸附实验,考察CHAK添加量,初始溶液pH,吸附时间及温度,重金属初始浓度各个单因素对吸附重金属的影响,结合动力学、热力学拟合探讨吸附过程。结果显示:溶液中Ni2+的去除率随CHAK添加量的增加而增大,但吸附量会降低;选择初始溶液pH为6;吸附时间t为10 h时吸附达到平衡;在25°C时,随着Ni2+初始浓度的从504000 mg·L-1逐渐增大,CHAK对溶液中Ni2+的吸附量先增大后基本稳定,最大吸附量达到44.97 mg·g-1,较原材料增大7.1倍。CHAK对Pb2+去除能力在pH范围为27之间均表现出良好的效果;去除率随CHAK用量的增加而增加,吸附量随之降低;吸附过程在10 h后趋于平衡;CHAK对溶液中Pb2+的吸附量随Pb2+初始浓度1006000 mg·L-1的增加而增大,最大可达到1135.25 mg·g-1,较原材料增大45.3倍。准二级动力学模型可以用来很好的拟合CHAK对Pb2+、Ni2+的吸附动力学过程,相关拟合系数可达到0.999。Freundlich等温吸附模型能更好的描述CHAK吸附Pb2+、Ni2+的过程,并且吸附过程均为可自发、吸热的熵增过程。3、CHAK施加量对Pb、Ni在土壤中形态分布的影响在不同浓度Pb、Ni污染的土壤中,改变CHAK或RK施加量,用Tessier法来分析土壤中重金属的形态变化。结果显示:CHAK的添加较原材料能显著改善土壤的质量。通过施加CHAK,生物毒性较大的交换态和碳酸盐结合态重金属的含量明显降低,且都转向残渣态。CHAK的施加量与土壤中Pb、Ni的生物可利用性均呈显著的负相关关系(P<0.05),Pb、Ni在土壤中的生物活性都随CHAK量的增加而显著减小。CHAK对修复高浓度Pb、Ni的污染土壤表现出良好的潜在应用价值,且对于Pb的稳定效果明显优于Ni。4、CHAK施加量对苜蓿吸收Pb、Ni性能的影响在添加不同质量分数的CHAK或RK的Pb、Ni污染土壤中进行苜蓿盆栽实验。结果发现:与原材料RK相比,CHAK材料的施加可以显著的降低苜蓿地上及地下部分中的Pb、Ni含量,且CHAK的施加量与苜蓿地上、地下部分吸收Pb、Ni含量呈显著负相关关系(P<0.05),这也验证了污染土壤中添加CHAK后Pb、Ni的生物可利用性降低。同时土壤中添加CHAK,可以减弱Pb、Ni在土壤–苜蓿中的迁移能力,也减弱Pb、Ni从苜蓿地下部向地上部迁移的能力。
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