生物表面活性剂与改性花生壳联合去除土壤镉研究

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近年来,由于我国经济社会的高速发展,人类生产活动和局部地区高背景值的原因,导致我国农用地Cd污染形势严峻,迫切需要一种高效、绿色的土壤修复方法。生物表面活性剂对土壤中的Cd具有良好的增溶浸提效果,能快速降低土壤中全Cd的含量。同时,花生壳是我国广泛存在的农林废弃物,以其为原料制备吸附材料,不仅变废为宝,而且成本低廉。将二者联合运用于Cd污染农田的修复中,具有广阔的发展潜力。本研究通过单因素试验对3种不同生物表面活性剂之间的复配比例进行研究,并探讨了浸提液浓度和浸提时长对土壤中Cd的去除效果影响。另外,采用农村废弃的花生壳为原料,通过高锰酸钾(KMnO4)对其进行改性,显著提高了花生壳对Cd2+的吸附性能,并通过现代检测技术对花生壳改性前后的表面微观形貌、表面官能团种类、晶体结构和比表面积等进行表征,全面分析和评价花生壳的改性效果。通过静态吸附试验,探讨了不同KMnO4溶液浓度、改性时长和浸渍比对改性花生壳吸附Cd2+的影响,并研究了吸附热力学和动力学。最后,利用得到的最佳生物表面活性剂复配体系浸提土壤中的Cd,再联合改性花生壳吸附处理浸提液,对修复前后土壤性质的变化进行对比分析,从而形成一种能高效去除农田中Cd的联合技术。本研究获得的主要结论如下:(1)生物表面活性的复配结果表明,茶皂素(TS)/十二烷基硫酸钠(SDS)复配体系的浸提液pH维持在酸性,对土壤Cd的浸提效果最好。保持浸提液浓度和浸提时长不变,当TS与SDS的质量比为2:1时,土壤Cd的去除率最高,达到52.17%。分析浸提液浓度和浸提时长对土壤浸提效果的影响时发现,随着二者的增加,浸提效果都明显提高,当浓度达为5%,浸提时长为24 h时,去除率达到最佳,为58.33%。(2)浸提前后土壤中Cd含量的结果表明,TS/SDS复配浸提液可以有效去除高、中、低3种污染程度土壤中的全Cd和有效Cd含量。3种污染程度土壤的全Cd含量分别降低50.27%、42.45%和41.59%;有效Cd含量分别降低61.42%、52.41%和41.00%。分析处理后土壤中Cd形态的变化发现,TS/SDS复配浸提液可以显著降低土壤中Cd的酸提取态和可还原态,从而降低其生物可利用性。(3)通过响应面优化分析发现,对改性花生壳吸附量的影响显著性顺序为花生壳与KMnO4溶液浸渍比>改性时长>KMnO4溶液浓度,花生壳的最佳改性条件为:KMnO4溶液浓度2.5%,改性时长10 h,花生壳与KMnO4溶液的浸渍比1:21。在此条件下得到的改性花生壳表面粗糙,形成大量裂隙和孔道,比表面积增加,其原本的晶体结构被破坏,暴露出更多官能团,同时在花生壳的表面有MnO2生成,能显著提高花生壳的吸附性能。(4)等温吸附试验结果表明,Langmuir方程对改性花生壳吸附Cd2+的过程拟合度最佳,在15℃、25℃和35℃时,改性花生壳对Cd2+的最大吸附容量分别为30.46 mg·g-1、31.22 mg·g-1和34.52 mg·g-1。对吸附动力学试验结果拟合发现,准二级动力学模型更加适合于描述改性花生壳对Cd2+的吸附,表明吸附过程以化学吸附为主。(5)改性花生壳吸附浸提液中Cd的结果表明,改性花生壳能高效吸附3种污染程度土壤浸提液中的Cd,并且在0~5 h范围内,其对Cd的吸附速率最大,当吸附时长达到12 h时,改性花生壳对浸提液中Cd的吸附基本完成。
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