硅酸钙板质废弃物处理含铅污水及土壤试验

杨云平 任子杰 高惠民 王 康 李建德

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070;3.国家硅材料深加工产品质量监督检验中心,江苏 连云港 222300)

研究表明,硅酸钙板孔隙率高且含有托贝莫来石,在污水处理和土壤改良等方面应用前景广阔[6-7]。LUO等[8]向城市垃圾焚烧灰中加入氢氧化钠和腐殖酸混合溶液,经过水热处理制得托贝莫来石,能有效吸附污水中的Cu2+,吸附量达270.3 mg/g。韩剑宏等[9]以粉煤灰提铝工业废物为原料制备的硅酸钙污水处理剂,可有效去除富营养化湖水中的氨氮。单伟等[10]以硅酸钠和硝酸钙为原料制备硅酸钙,结果表明:所制备硅酸钙不仅可以有效吸附溶液中的Cd2+,还对土壤中的Cd2+有较好的钝化效果,有望作为土壤改良剂来修复重金属污染土壤。

为充分利用硅酸钙板废弃物,分别以抛光粉和废弃硅酸钙板为原料制备污水处理剂和土壤改良剂,探究其对铅溶液中Pb2+的吸附效果和铅污染土壤中Pb2+的固化效果。

1.1 试验材料

(1)硅酸钙板抛光粉。取自内蒙古某公司,粒度均在74 μm以下。经过XRD分析,其主要成分为托贝莫来石和未反应完全的石英砂,含有少量的方解石、消石灰,直接作为抛光粉吸附剂和抛光粉改良剂使用。

(2)废弃硅酸钙板。市售硅酸钙板,经过XRD分析,其主要成分为托贝莫来石和未反应完全的石英砂,与硅酸钙板粉末主要物相基本相同。将其破碎、筛分,取-74 μm粒级产物作为废弃硅酸钙板吸附剂;同样方法取-900+150 μm、-150 μm 2个粒级,将这2个粒级按照质量比1∶1混合制备废弃硅酸钙板改良剂。

(3)含铅污水。称取3.197 g硝酸铅,加入去离子水,充分搅拌,配制得到Pb2+浓度为2 000 mg/L的硝酸铅溶液。

(4)供试土壤、污染土壤。土壤取自武汉市周边农田,经过XRD分析,其主要物相为石英,含少量长石、云母、富铁钠闪石、刚玉、钙镁电气石等,将其碾碎过2 mm标准筛作为供试土壤。取1 kg供试土壤,加入配制好的硝酸铅溶液,搅拌均匀,加入去离子水,使土壤含水率达到20%,每天称重,补水,使土壤水分保持稳定,熟化7 d后配制成污染土壤,Pb2+浓度为2 000 mg/kg。

1.2 试验方法

(1)吸附试验。取一定质量的吸附剂置于烧杯中,加入浓度为2 000 mg/L的Pb2+溶液,25 ℃水浴充分搅拌2 h,自然沉淀后,将烧杯中上清液移入离心管离心,然后用原子吸收光谱法测定离心管上清液中的Pb2+浓度。

项目地处西北某省，海拔高度：1 550 m；
环境温度：
最高42.7 ℃，最低-25.3 ℃；
厂区主导风向:西北风，平均风速7.9 m/s，最大风速34 m/s。

(2)脱附试验。取一定质量的吸附剂,加入过量Pb2+溶液(V1=250 mL),在25 ℃水浴条件下充分搅拌,使其达到饱和吸附,离心并固液分离,用去离子水清洗过滤得到的固体,以去除未被吸附剂吸附的铅离子,测定溶液中Pb2+浓度为C1=741.303 7 mg/L。再加入去离子水(V2=250 mL),25 ℃水浴,每隔1 d搅拌6 h,定期取上清液检测溶液中Pb2+浓度C2,按下式计算脱附率k

(3)土壤中重金属固化试验。取一定质量的污染土壤,加入一定质量的改良剂,充分搅拌,加入去离子水,使土壤含水率达到20%,每天称重、补水,定期取土壤,按照《土壤质量 有效铅和镉的测定》(GB/T 23739—2009)测定有效Pb2+含量。

(4)土壤物理性质改良试验。取一定质量的供试土壤,加入一定质量的改良剂,充分搅拌,加入自来水,使土壤含水率达到20%,定期检测土壤中含水率的变化,室内放置20 d后检测土壤容重及pH。按照《土壤水分测定》(NY/T 52—1987)测定土壤水分,按照《土壤容重的测定》(NY/T 1121.4—2006)测定土壤容重,按照《土壤pH值的测定》(NY/T 1121.2—2006)测定土壤pH。

2.1 2种吸附剂对Pb2+的吸附效果研究

2.1.1 吸附试验

取50mL浓度为2000mg/L的Pb2+溶液12份,依次分别加入2种吸附剂0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.00 g,按照1.2节(1)描述的方法进行吸附试验,结果见图1。

图1 吸附剂浓度对Pb2+吸附效果的影响Fig.1 Influence of adsorbent concentration on Pb2+adsorption effect

由图1(a)可知:随着抛光粉吸附剂用量的增加,Pb2+浓度持续减少;且溶液pH值随吸附剂用量的增加缓慢上升,溶液中H+离子减少,与Pb2+的竞争吸附作用减弱,有利于Pb2+的吸附[11]。吸附剂浓度达到1%时,溶液中Pb2+已经基本被吸附完全。吸附剂浓度为0.5%时,此时溶液中Pb2+浓度为675.8 mg/L,溶液中还有大量的Pb2+,达到饱和吸附,利用文献[12]的方法计算出对Pb2+的吸附量为264.84 mg/g,硅酸钙板抛光粉对重金属Pb2+的吸附效果较好[13]。

由图1(b)可知:废弃硅酸钙板吸附剂对Pb2+的吸附效果与抛光粉吸附剂基本相同。吸附剂浓度为1%时,Pb2+基本吸附完全。吸附剂浓度为0.5%时,达到饱和吸附,Pb2+的吸附量为275.12 mg/g,略高于硅酸钙板抛光粉对Pb2+的吸附量。

由于抛光粉中还含有Ca(OH)2,可能会使溶液中的Pb2+发生沉淀,而不是被托贝莫来石吸附[14]。因此计算了浓度为2 000 mg/L的Pb2+溶液中Pb2+发生沉淀的最小pH值,为7.51。由图1(a)可知:当抛光粉吸附剂添加量为4%时,溶液pH值为7.38,此时溶液中Pb2+浓度已经为零,说明铅溶液中的Pb2+均被硅酸钙板抛光粉所吸附。

2.1.2 脱附试验

2种污水处理剂吸附效果相似,因此只对硅酸钙板抛光粉进行脱附试验。硅酸钙板抛光粉添加量为0.5%时达到饱和吸附状态,故向250 mL Pb2+浓度为2 000 mg/L的铅溶液中加入1.25 g的硅酸钙板抛光粉,按照1.2中(2)描述的方法进行脱附试验。脱附试验结果见图2。

图2 脱附试验结果Fig.2 Desorption test results

由图2可知:随着脱附天数的增加,刚开始溶液中Pb2+浓度和脱附率上升较快,最终逐渐趋于平稳,且脱附率一直较低。吸附剂对Pb2+的吸附较为牢固,最终脱附率只有1.52%,说明试验所用吸附剂不仅对Pb2+吸附容量较大,而且吸附牢固[15]。

2.2 不同废弃物对土壤中重金属固化效果研究

取14份质量相同的污染土壤,每份2 kg,分别加入与土壤质量比0、0.2%、0.5%、1%、2%、4%、6%的2种改良剂,添加去离子水,使土壤含水率保持在20%,每天称重,补水,使土壤水分基本保持不变。分别在7、14 d取样,测定其有效铅离子含量。试验结果见图3。

图3 不同添加量条件下2种改良剂固化土壤中Pb2+试验结果Fig.3 Test results of immobilization of Pb2+ in soil by two amendments with different concentrations

由图3可知:当改良剂添加量为0时,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+含量较第7 d略低,说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]。

由图3(a)可知:土壤中有效Pb2+含量随着抛光粉改良剂添加量的增加而减少,这是因为抛光粉用量的增加提高了抛光粉与土壤中Pb2+的接触,使土壤中的Pb2+更容易被吸附。培养天数的增加使得土壤中有效Pb2+含量降低,这是因为每天持续的补水,部分Pb2+溶解到水中而被抛光粉吸附。

由图3(b)可知:硅酸钙板制备的改良剂和抛光粉对土壤中的Pb2+的固化效果基本相同,效果良好。若提高土壤中的Pb2+与改良剂的接触概率,使其充分接触,改良效果将会继续提高[18]。

2.3 不同废弃物对土壤理化性质改良的研究

取相同土壤12份,每份2 kg,分别向其中加入与土壤质量比0、2%、4%、6%、8%、10%的2种改良剂,向每份土壤中加入1 000 mL的水(每10 d加500 mL),室外培养20 d,检测土壤的pH值、含水率和容重。试验结果见表1和图4。

表1 抛光粉和废弃硅酸钙板改良土壤试验结果Table 1 Test results of soil improvement with polishing powder or calcium silicate board improver

图4 不同添加量条件下2种改良剂改良土壤试验结果Fig.4 Test results of soil improvement with two kinds of soil amendments in different concentrations

由图4(a)可知:随着抛光粉改良剂添加量的增加,土壤pH值缓慢升高,土壤容重大幅度下降。说明抛光粉改良剂不仅可以有效地改良酸性土壤,还可以降低土壤容重,增加土壤孔隙率,防止土壤板结[19-20]。

由表1可知:抛光粉改良剂的加入降低了土壤的含水率。这是因为土壤容重的降低,导致土壤孔隙率升高、表面积增大,水蒸发速度加快,进而含水率降低[20]。但降低幅度很小,说明抛光粉对土壤有保湿效果。

结合表1与图4(b)分析可知:随着废弃硅酸钙板改良剂添加量的增加,土壤pH值缓慢升高,幅度较抛光粉低,说明其碱性更弱。与抛光粉对比,废弃硅酸钙板制备的改良剂对降低土壤容重的效果更佳。

(1)废弃的硅酸钙板和抛光粉主要成分均为托贝莫来石,对溶液中Pb2+均有较好的吸附效果,抛光粉对Pb2+的吸附容量为264.84 mg/g,硅酸钙板抛光粉制备的吸附剂对Pb2+的吸附容量为275.12 mg/g。脱附试验结果说明托贝莫来石对Pb2+的吸附不仅吸附效果好,而且吸附较为牢固。

(2) 2种改良剂对土壤中的Pb2+均有良好的固化效果,若提高改良剂与土壤中Pb2+的接触率,改良效果将会提高。

(3) 2种改良剂均可以大幅度降低土壤容重,但是当添加量过大时,会增加土壤pH值,抛光粉的碱性要强于硅酸钙板制备的土壤改良剂。

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