酸性條件對湖北某銀礦固體廢物重金屬浸出特性

梅 明，廖金陽

武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅猛發(fā)展，人們對礦產(chǎn)的需求逐漸增加，礦業(yè)活動也日益頻繁，但在礦山開采過程中不可避免的會產(chǎn)生各種固體廢棄物，例如廢石、尾礦等.這些固體廢棄物一般采用露天堆存的方式，在雨水、風(fēng)蝕的作用下，固體廢棄物中的有害成分會通過雨水滲入地下、土壤，造成地下水污染、土壤重金屬污染、土壤酸化等，影響農(nóng)作物的生長進(jìn)而影響人類健康[1-3].

湖北某銀礦開采已有20多年，產(chǎn)生了大量的固體廢棄物.目前廢石場占地9 900 m2，尾礦庫經(jīng)擴(kuò)容后占地面積達(dá)39 375 m2.本文采集了采礦廢石、浮選尾礦、氰化殘渣3種固體廢物作為研究對象，通過實驗分析了這3種不同的固體廢棄物在不同pH條件下重金屬元素的浸出效果及對環(huán)境的影響，為固體廢棄物的安全處置及綜合利用提供了依據(jù).

1 樣品的采集與處理

在銀礦廢石堆場采集廢石樣品500 g，在尾礦庫上采集尾礦500 g，在氰化廢渣臨時堆存場采集樣品500 g，采好后裝入塑料袋密封好，帶回實驗室分析.將樣品自然風(fēng)干后，過0.074 mm篩備用.

2 實驗部分

2.1 實驗儀器與試劑

2.1.1 實驗儀器 本實驗所用儀器設(shè)備見表1.

表1 實驗儀器及設(shè)備

2.1.2 實驗試劑 本實驗所用實驗試劑見表2.

表2 實驗試劑

2.2 實驗方法

2.2.1 樣品中重金屬元素分析 稱取3種不同的固體廢物各0.2 g左右置于3個聚四氟乙烯坩堝中，每個坩堝中都加入10 mL的鹽酸、5 mL的硝酸、5 mL的氫氟酸及3 mL的高氯酸，將坩堝置于電熱板上加熱至樣品呈粘稠狀，用水沖洗后將溶液轉(zhuǎn)至50 mL的容量瓶中，加入5 mL的硝酸鑭溶液，冷卻定容后用火焰原子吸收法測定溶液中的Cu、Zn、Pb、Cd四種金屬離子的濃度.

2.2.2 浸出濃度分析 本實驗采用固體廢物浸出-硫酸硝酸法及固體廢物浸出-水平振蕩法對實驗樣品進(jìn)行浸出濃度的研究分析.

稱取實驗樣品10 g，置于洗凈的250 mL錐形瓶中，分別向錐形瓶中加入100 mL的pH為2，3，4，5，6，7的溶液，將錐形瓶放入水浴恒溫振蕩器中，設(shè)置恒定反應(yīng)溫度30 ℃，震蕩反應(yīng)8 h后，靜置16 h.待反應(yīng)完全后，取10 mL液體用0.45 μm濾膜抽濾，抽濾后的水樣注入50 mL消解罐中，加入5 mL的硝酸、1 mL的雙氧水，將消解罐置于微波爐中在中高溫條件下消解10 min，消解后溶液轉(zhuǎn)移至50 mL比色皿，用0.2%的硝酸定容.用火焰原子吸收法測溶液中的Cu、Zn、Pb、Cd四種金屬離子濃度.

3 結(jié)果與分析

3.1 全元素分析

3種不同的樣品中各重金屬的含量見表3.

表3 樣品中重金屬元素的含量

3.2 采礦廢石中重金屬元素的浸出特性

采礦廢石的浸出濃度結(jié)果見表4.

表 4 采礦廢石不同pH條件下重金屬浸出濃度

從表4中浸出液不同重金屬的質(zhì)量濃度，可以得出采礦廢石中不同重金屬元素在不同的pH條件下浸出量的變化趨勢.Cu、Cd的浸出濃度隨著pH的增大而逐漸減小，在pH=3時， Cu的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.256 mg/L，在pH=2時，Cd的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.537 mg/L.Pb、Zn的浸出質(zhì)量濃度并不是隨著pH的增大一直減小，而是呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在pH=2時，Zn的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.363 mg/L，在pH<4時，Zn的浸出質(zhì)量濃度隨著pH的增大而逐漸減小，在pH=4時，Zn的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最小值0.031 mg/L.當(dāng)pH繼續(xù)增大時，Zn元素的浸出質(zhì)量濃度逐漸上升.當(dāng)pH=2時，Pb的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值8.944 mg/L，隨后Pb的浸出質(zhì)量濃度隨pH值增大而迅速下降，當(dāng)pH=3時，Pb的浸出質(zhì)量濃度迅速下降至最低值0.210 mg/L，然后隨pH值增大緩慢上升.

3.3 浮選尾礦中重金屬元素的浸出特性

浮選尾礦的浸出濃度結(jié)果見表5.

表 5 浮選尾礦不同pH條件下重金屬浸出濃度

從表5中浸出液不同重金屬的質(zhì)量濃度，可以得出浮選尾礦中不同重金屬在不同的pH條件下浸出量的變化趨勢.Cu的浸出濃度并不是隨著pH的增大一直減小，而是隨著pH的增大先增大后減小，在pH<3時，隨著pH值的增大Cu的浸出濃度增大，在pH=3時，浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.318 mg/L，在pH>3時，隨著pH的繼續(xù)增大，銅的浸出質(zhì)量濃度逐漸減小.Pb、Zn元素的浸出質(zhì)量濃度隨pH的增大先減小后增大，在pH=2時Zn的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值1.274 mg/L，Pb的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值5.470 mg/L，當(dāng)pH=3時，Zn的浸出質(zhì)量濃度迅速下降至0.066 mg/L，Pb的浸出質(zhì)量濃度下降至0.309 mg/L.隨著pH的繼續(xù)增大，Pb、Zn的浸出質(zhì)量濃度逐漸增大.Cd的浸出質(zhì)量濃度隨pH的增大而減小，當(dāng)pH=2時，Cd的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大浸出質(zhì)量濃度為0.862 mg/L.

3.4 氰化廢渣中重金屬元素浸出特性

氰化廢渣的浸出濃度結(jié)果見表6.

表6 氰化廢渣不同pH條件下重金屬浸出濃度

從表中浸出液不同重金屬的質(zhì)量濃度，可以看出氰化廢渣中不同重金屬在不同的pH條件下浸出濃度的變化趨勢與采礦廢石、浮選尾礦大致相同.Cu的浸出濃度隨著pH的增大先增大后減小，在pH<3時，隨著pH值的增大Cu的浸出質(zhì)量濃度增大，當(dāng)pH=3時，Cu浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值12.473 mg/L，隨著pH的繼續(xù)增大，Cu的浸出質(zhì)量濃度逐漸減小.Zn的浸出質(zhì)量濃度在pH<3時明顯比pH>3時的浸出質(zhì)量濃度大，當(dāng)pH<3時，Zn的浸出質(zhì)量濃度隨著pH的增大而降低.在pH=2時呈現(xiàn)最大浸出質(zhì)量濃度11.817 mg/L.在pH=3時，Zn的浸出質(zhì)量濃度最小為0.111 mg/L.當(dāng)pH>3時，隨著pH的增大，Zn元素的浸出質(zhì)量濃度有所上升.Pb元素的浸出質(zhì)量濃度隨pH的增大呈先減小后增大的趨勢，在pH=2時，Pb的浸出質(zhì)量濃度達(dá)到最大值3.683 mg/L，在pH=5時， Pb的浸出質(zhì)量濃度減至最小值1.599 mg/L，繼續(xù)增大pH，Pb的浸出質(zhì)量濃度有所上升.Cd的浸出質(zhì)量濃度隨pH的增大一直減小，當(dāng)pH<3后，隨著pH的增大，Cd浸出質(zhì)量濃度的降低速度趨緩，當(dāng)pH=2時，浸出質(zhì)量濃度最大為0.726 mg/L.

由表4、表5、表6可以看出，pH對于固體廢物中重金屬的浸出濃度有很大影響，且不同固廢中的重金屬的最大浸出濃度對應(yīng)的pH值相同，即pH閾值相同[4].由于酸浸出反應(yīng)的實質(zhì)是酸溶液中的H+通過離子交換反應(yīng)，置換出廢渣中的金屬離子，分析出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因可能是，當(dāng)pH較低時，溶液中H+濃度較大，導(dǎo)致離子交換反應(yīng)向著溶出重金屬的方向進(jìn)行，同時在較低pH的情況下，重金屬的形態(tài)有可能發(fā)生改變，固化體物理結(jié)構(gòu)的崩解，重金屬大量溶出，溶液中重金屬離子的濃度逐漸增加[5].

3.5 固體廢物重金屬元素浸出特性比較

從表4、表5、表6可以看出氰化廢渣中大部分重金屬的浸出濃度要比采礦廢石和浮選尾礦的重金屬浸出濃度要高.表7為各種固體廢物重金屬浸出率.

表 7 固體廢物重金屬浸出率

從表7可以看出，在3種不同的固體廢物中，重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd在pH值較小的環(huán)境中浸出率更大.廢石中Cu的最大浸出率為1.793 1%，Zn的最大浸出率為1.310 3%，Pb的最大浸出率為19.041 8%，Cd的最大浸出率為17.540 4%.浮選尾礦中Cu的最大浸出率為1.394 5%，Zn的最大浸出率為1.905 0%，Pb的最大浸出率為33.332 9%，Cd的最大浸出率為20.577 7%.氰化廢渣中Cu的最大浸出率為4.671 5%，Zn的最大浸出率為12.020 8%，Pb的最大浸出率為56.680 2%，Cd的最大浸出率為36.233 0%.氰化廢渣的浸出率>尾礦浸出率>廢石浸出率，這可能與不同固體廢物中重金屬的存在形態(tài)差異有關(guān)[1].

結(jié)合這3種不同固體廢物的浸出濃度與浸出率的對比可以得出，金屬浸出濃度大對應(yīng)的浸出率不一定就大，這與不同廢物中不同重金屬的含量有關(guān).

4 結(jié) 語

通過對某銀礦固體廢物中重金屬元素的浸出特性的研究，得到以下結(jié)論:

a.固廢中不同重金屬元素的浸出濃度均在pH較低的情況下最大，pH是影響重金屬浸出濃度較大的因素.采礦廢石中Cu、Cd的浸出濃度隨pH的增大后減小，Pb、Zn的浸出濃度隨pH的增大先減小后增大；浮選尾礦與氰化廢渣中相同重金屬的浸出濃度隨pH的變化趨勢一致，Cu的浸出濃度隨pH的增大先增大后減小，Pb、Zn的浸出濃度隨pH的增大先減小后增大，Cd的浸出濃度隨pH的增大一直減小.

b.同一種金屬的最大浸出濃度所對應(yīng)的pH閾值相同.Cu元素的pH閾值為3，Zn、Pb、Cd元素的pH閾值均為2.

c.結(jié)合這3種不同固體廢物的浸出濃度與浸出率的對比可以得出，金屬浸出濃度大對應(yīng)的浸出率不一定就大，這與不同廢物中不同重金屬的含量有關(guān).

e.經(jīng)以上分析，銀礦生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢物中的重金屬會不同程度的進(jìn)入環(huán)境，會對生態(tài)環(huán)境造成影響，需做好防滲措施并加強(qiáng)監(jiān)測.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)清潔生產(chǎn)中心課題組成員的支持與幫助！

[1] 何緒文，李靜文，張珊珊，等．環(huán)境條件對采礦廢石中重金屬溶出特性的影響[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2013(3)：523-527．

HE Xu-wen，LI Jing-wen，Zhang Shan-shan,et al．The leaching characteristics of the heavy metals in the mining mullock under the different environmental conditions[J]．Ecology and Environment Sciences，2013(3)：523-527．(in Chinese)

[2] 施和平，阿娟，劉惠民，等．包鋼尾礦重金屬溶解浸出實驗研究[J]．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012，33(2)：238-240．

SHI He-ping，A Juan，LIU Hui-min，et al．Experimental study on heavy metal leaching from tailings of BAO-GANG[J]．Journal of Inner Mongolia Agricultural University:Natural Science Edition，2012，33(2)：238-240．(in Chinese)

[3] 王素娟，楊愛江，吳永貴，等．銻礦采選固廢與冶煉廢渣的化學(xué)特性及重金屬溶出特性[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(6)：41-45．

WANG Su-juan，YANG Ai-jiang，WU Yong-gui，et al．Chemical composition and heavy metals dissolution characteristics of antimony mining waste and smelting residue[J]．Environmental Science & Technology，2012，35(6)：41-45．(in Chinese)

[4] 徐爭啟，倪師軍，滕彥國，等．礦業(yè)活動固體廢棄物中重金屬元素釋放機(jī)理的浸出實驗[J]．地質(zhì)通報，2012，31(1)：101-107．

XU Zheng-qi，NI Shi-jun，TENG Yan-guo，et al．Research on releasing of heavy metals in solid wastes frommining activity[J]．Geological Bulletin of China，2012，31(1)：101-107.(in Chinese)

[5] GUO Yao-guang，HUANG Peng，Zhang Wu-gang，et al．Leaching of heavy metals from Dexing copper mine tailings pond[J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2013(10)：3068-3075．