不同配比水泥土對銅離子的吸附性能研究

盧丹陽 （同濟大學，上海 200092）

1 引言

在生活垃圾的處理過程中，填埋是主要的方式之一。為了能夠使污染物和外界環境隔絕，阻止污染液進入周圍的水體和土壤，在填埋場地周圍會建造防污防滲性能良好的垂直帷幕或者墻體，從而達到控制污染物擴散的效果。

污染液中通常含有多種無機物離子和有機物質，而重金屬的污染問題目前備受關注。根據2014年4月發布的《全國土壤污染狀況調查公報》，全國整體土壤污染狀況不容樂觀，全國土壤的總超標率為16.1%，其中以重金屬為主的無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%[1]。

從20世紀70年代，歐美發達國家就開始研究重金屬污染土的工程特性，到現在，人們日益關心重金屬污染問題。我國現有土壤重金屬治理方法主要為工程治理與農藝調控。與其他技術相比，吸附固化技術具有處理效果好、處理周期短、適用范圍廣、成本低等優點。但目前利用固化技術處理土壤中的重金屬離子的研究并不多，利用水泥土這一復合建筑材料作為固化材料來吸附銅離子的研究則更少。許龍[2]使用水泥土及粉煤灰作為固化劑，研究其吸附含鉛離子與鋅離子污染土體的強度和淋濾特性。陳蕾、劉松玉等[3]研究了水泥固化處理（S/S法）處理被鉛離子污染土后的污染物質淋濾特性和土體強度變化。試驗結果表明，土體強度有所提高，可用于場地的回填和堤壩的填筑。席永慧、張廣年等[4]通過大型模擬實驗分析了水泥土墻屏障厚度和水泥摻量對重金屬離子隔離效果的影響，同時應用數值模擬方法求解了鋅離子在水泥土中的擴散系數。賈崢嶸[5]通過盆栽試驗研究了膨潤土對重金屬銅污染土的修復效果,探討了膨潤土對銅污染土壤銅形態轉化及對土壤酶活性、油菜生長發育、植株體內重金屬銅含量的影響。

本文研究了不同配比的復合建筑材料水泥土（水泥摻量占土樣5%、9%、12%）對銅吸附的動力學特征、吸附等溫線型式，探討復合型材料水泥土對銅的吸附能力，與之前國內外研究較單一的固化材料相比，具有較大的經濟效益和社會意義，同時也對今后垃圾填埋場水泥土防滲墻的設計和施工提供借鑒。

2 水泥土吸附實驗

2.1 試驗材料

水泥土自行制備，取水泥若干，按照水泥量占土樣的5%，9%，12%與土樣、水摻和，并將它們用拌棒在容器中充分攪拌，混合均勻，制備成不同配比的水泥土。

水泥土在標準條件（溫度為20±2℃，相對濕度為95%以上）下養護28d，然后將其磨碎并過60目篩。水泥采用海螺牌水泥，標號為425。

土樣取自上海市某工地（第③層土，淤泥質粉質粘土），風干后磨細過2.5mm篩后儲存待用，具體顆粒組成列在表1中。

土樣顆粒級配 表1

2.2 試劑和儀器

主要試劑：無水硫酸銅（CuSO4），分析純。儀器：SHENERGYBIOCOLOR搖床（用于將水與土混合均勻）、METTLER TOLEDO分析天平（用于土樣稱量以及標準溶液的配制）、離心機（用于將水土分離）、電感耦合等離子發射光譜儀Agilent ICP-Agilent720ES（用于測溶液中的重金屬離子濃度）。

2.3 動態吸附試驗方法

使用CuSO4配制了濃度為400 m g/L的Cu2+溶液，5%、9%、12% 配比水泥土分別稱重0.5g，各7份置于7個100m L塑料瓶中。每個瓶中各加入上述溶液 50m L，然后用搖床（4000r/min）將其充分震蕩混合均勻，試樣保持恒溫（20±2℃）。在吸附階段分別于1.5h，3h，15h，24h，48h，72h和 144h取上部清液離心，并用0.22μm濾膜過濾，濾液稀釋100倍后，測定清液中的濃度，的濃度由同濟大學環境科學與工程學院重點實驗室利用電感耦合等離子發射光譜儀測得。

2.4 吸附等溫線確定方法

5%、9%、12% 配比水泥土各稱0.2g，至于一系列錐形瓶中，加入一系列已知濃度的標準溶液（濃度梯度為400m g/L，500m g/L，600m g/L，700m g/L和800m g/L）20m L。用搖床使其充分混合均勻，維持試劑恒溫，平衡一定時間（以平衡時間最長的土的平衡時間為準）后測定清液中的濃度，再根據式（1）計算被固體顆粒的吸附量。

Cu2+的等溫線參數和回歸分析 表2

式中S為平衡時吸附量(m g/g)；C0為Cu2+的初始濃度 (m g/L)；C為吸附平衡時Cu2+在水溶液中的濃度(m g/L)；V為水溶液體積 (L)；W為固體顆粒重量(g)。

3 水泥土吸附效果分析

3.1 不同配比水泥土對吸附的動力學特征

5%、9%和12%水泥土各測定7個吸附時間點溶液中的濃度，百分吸附率一時間曲線見圖1。由圖可知：這三種水泥土對的吸附過程是很快的，在0-3h內溶液中濃度降低較快，分別達35.19%（5%水泥土），39.67%（9%水泥土），50.28%（12%水泥土），此后速度減慢，72h后基本達到吸附平衡狀態。隨著水泥摻量的增多，水泥土對的吸附能力也相應增加，9%和12%的水泥土對的吸附能力相當，平衡吸附率為94.88%和99.65%，較大于5%水泥土，其平衡吸附率為76.73%。

圖1 5%、9%、12%水泥土吸附Cu2+的百分吸附率-時間曲線

3.2 不同配比水泥土對最終吸附平衡率的分析

式中 a、b為常數，將式（2）改寫為

圖2 5%、9%、12%的水泥土吸附Cu2+的t/（C0-C）/C0-t曲線

3.3 吸附等溫線型式的確定及吸附常數的計算

吸附等溫線常用型式為線性等溫線、Langmuir吸附等溫線（見式 4）及Freundlich等溫線（見式5）。

式中B為最大吸附量，為Langm uir常數，可通過式（4）的線性形式求得。

式中 Kf，n 為 Freundlich常數，可通過對方程兩邊取對數得出的線性形式求得。其它符號同前。

為了比較幾種等溫線對Cu2+吸附行為的符合情況，求解了擬合線性吸附等溫線的線性回歸值（R2），Langmuir常數(B，KL)及回歸值（R2），Freundlich常數(Kf，n)及回歸值（R2），結果見表 2。表 2的結果說明，Cu2+在5%水泥土上的吸附等溫線符合Langmuir模式和Freundlich模式，在9%水泥土上的吸附等溫線只符合Langmuir模式，在12%水泥土上的吸附等溫線只符合Freundlich模式。結果還顯示，在中高濃度下，在5%，9%和12%水泥土上的飽和吸附量分別為61.7 m g·g-1,73.5 m g·g-1和 1666m g·g-1。

4 結語

本文通過在不同配比下建筑工程材料水泥土（5%、9%、12%）的動態吸附試驗，得出以下結論：

①5%、9%、12%配比水泥土對的吸附動力學特征相似，3h內濃度下降最快，3-72h即可達平衡；

②某一初始濃度下，被吸附的最終平衡吸附率可通過用雙曲線方程擬合C0-C)/C0～t曲線得到，t/((C0-C)/C0)與 t呈正相關，且具有非常好的線性；

③7%和9%配比水泥土對Cu2+的吸附能力相當，明顯大于5%水泥土；

④Cu2+在5%、7%和9%水泥土上的吸附是非線性的，吸附等溫線符合Langmuir模式或Freundlich模式。5%水泥土兩種模式都符合，9%水泥土只符合Langmuir模式，12%水泥土只符合Freundlich模式。