胡敏素对土壤中Cu、Pb的钝化作用研究

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在我国工业快速发展的背景下,重金属的污染问题已成为一个迫切需要面对和解决的环境问题。土壤重金属污染具有隐蔽性、不可降解性、生物积累性等特点,并且治理难度大、成本高。积累在土壤中的重金属不仅可以影响土壤微生物的数量及种群结构,还可以通过食物链在各营养级生物体内流动、富集,最终会进入人类体内,由此将严重威胁人类生命健康。原位钝化技术是指通过向土壤中施加一些有机或无机的化学物质,改变土壤理化性质,或使加入的化学物质与土壤中的重金属发生物理化学反应,从而改变重金属在土壤中的赋存形态,降低其在土壤环境中的生物有效性和迀移性。与其他修复技术相比,该方法具有修复效果好、修复周期短、成本低廉、操作简单等特点。本文采用Box-Behnken响应面优化实验设计对胡敏素吸附去除水中Cu2+、Pb2+的过程进行了优化,设定吸附时间、吸附剂用量、pH、温度和Cu2+或Pb2+初始浓度为5个影响因素,对胡敏素吸附Cu2+、Pb2+的综合影响进行了研究,建立了二次多项式模型;同时用毒性淋溶提取(TCLP)法评价了胡敏素和磷酸二氢钾联合作用下对Cu、Pb污染土壤的钝化效果,通过BCR三步连续提取法研究了胡敏素和磷酸二氢钾施用后土壤中不同形态Cu、Pb的动态变化规律。结果表明:(1)Box-Behnken实验设计研究结果表明,胡敏素吸附Cu2+过程中,胡敏素用量、pH值、Cu2+初始浓度、二次项中的pH和温度、交互项中的吸附时间和吸附剂用量的交互作用是对吸附率有显著影响的因素。胡敏素吸附Pb2+过程中,胡敏素用量、pH值、温度、Pb2+初始浓度、二次项中的pH、交互项中的pH和温度的交互作用是对吸附率有显著影响的因素。(2)响应面优化结果表明,吸附时间110 min、投加量2.4 g·L-1、pH=5.4、温度25℃、Cu2+初始浓度208 mg·L-1时,Cu2+吸附率较高,可达80.78%。吸附模型符合Langmuir等温吸附方程,最大吸附量为88.97 mg·g-1。吸附时间85 min、投加量1.2 g·L-1、pH=4.7、温度44.5℃、Pb2+初始浓度202 mg·L-1时,胡敏素对Pb2+的吸附率最高,可达92.59%。吸附模型符合Langmuir等温吸附方程,65℃时Langmuir方程对应的最大吸附量为170.28 mg·g-1。胡敏素对Cu2+、Pb2+吸附效果显著,可作为新型离子吸附剂的良好材料。胡敏素分子疏松多孔,易于进行物理吸附。胡敏素表面的羟基、氨基、羰基、羧基和芳烃中的C=C键等与能与Cu2+、Pb2+发生配位络合作用,同时Cu2+、Pb2+和胡敏素表面的Na、Ca、Mg等离子发生离子交换反应,从而发生化学吸附。(3)土壤添加胡敏素和磷酸二氢钾培养150 d期间,单独胡敏素处理的土壤pH值呈现增加趋势;单独磷酸二氢钾处理与胡敏素和磷酸二氢钾配施的土壤pH值先增加至最大值而后缓慢降低趋于稳定,但均高于对照。各钝化剂的施用均显著降低了土壤TCLP提取态和酸提取态Cu、Pb含量,可氧化态、可还原态和残渣态Cu、Pb含量均有不同幅度的增加,说明钝化剂的应用能够使土壤重金属由有效态向某些潜在有效态或无效态转变,从而达到修复重金属污染土壤的目的。土壤Cu、Pb的解吸率随酒石酸浓度增加、pH值减小而提高,胡敏素和磷酸二氢钾的存在会提高钝化产物的稳定性。
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