基于數值模擬的pH影響赤泥滲濾液中銅和鎘化學形態研究

孟春曉 李 瑤 秦 燕*

(1. 四川省生態環境監測總站，成都 610091；2. 西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 611756)

目前，用于模擬計算物質化學形態的軟件主要有Visual MINTEQ、GWB、CHEMSPEC、PHREEQC和EQ3/6等[10]，其中Visual MINTEQ的數據庫元素及其熱力學數據較全、可視化程度較高、形態計算性能受到廣泛認可。本研究采用Visual MINTEQ3.1對赤泥滲濾液中銅、鎘的吸附和離子交換過程進行模擬，分析其化學形態的變化情況。

1 材料與方法

1.1 Visual MINTEQ簡介

Visual MINTEQ是由美國國家環境保護局(EPA)開發，被廣泛應用在模擬環境水平衡溶液中或水體中的離子和礦物平衡情況的軟件。Visual MINTEQ的理論基礎是 W.L.Lindsay教授創立的土壤化學平衡理論[11]。該模型擁有強大的平衡常數數據庫，涉及液相絡合、溶解/沉淀、氧化/還原、氣-液相平衡、吸附等多種平衡反應。模型將水溶液中的化學物質分為組分和物種，物種是由組分通過化學反應生成，因此，每一種化學物質均可用組分來表示，對于n個化學物質可用輸入m個基本組分來表示，其反應平衡常數包含在模型數據庫中。Visual MINTEQ可對不同表面吸附反應進行數值模擬，通過平衡常數、吉布斯自由能等熱力學數據計算化學物質的相互作用，模擬吸附平衡溶液中的離子和礦物平衡情況，以及通過質量作用表達式來判斷化學物質的形態分布，預測金屬的吸附和金屬有機絡合物的形成。袁建民[12]的研究表明，粘土礦物對重金屬離子吸附符合Freundlich吸附模型。因此本研究采用等溫吸附模型中的Freundlich方程對赤泥滲濾液滲透壓實粘土襯墊的吸附過程進行模擬分析。

1.2 赤泥滲濾液水樣分析

本研究所用的赤泥滲濾液取自國內某一拜耳法赤泥堆場，測得該滲濾液pH為12.6，呈強堿性；電導率EC為27.6mS/cm；ORP為-72.0mV，表明該滲濾液有較強還原性。該滲濾液的化學組成見表1。

表1 赤泥滲濾液的化學組成

可以看出，該赤泥滲濾液中含有較高的Al、Na、K、Fe、Cu等，這是由于赤泥主要由氧化鋁、硅酸鹽和鐵等組成，并含有大量重金屬元素[13-14]。在赤泥堆存過程中，這些元素隨水遷移進入到滲濾液中，使滲濾液中pH、重金屬離子、鹽分都增加。

2 結果與討論

2.1 模型參數設置

由于赤泥滲濾液為強堿性，因此本研究主要模擬初始pH、中和及酸化后的赤泥滲濾液中銅和鎘的吸附和離子交換行為，探究在不同pH下銅和鎘的化學形態變化。Visual MINTEQ數值模擬的基本參數設置見表2。

表2 Visual MINTEQ基本參數

2.2 赤泥滲濾液中Cu和Cd的化學形態

赤泥滲濾液在滲透過程達到吸附平衡時，Cu2+和Cd2+在粘土礦物表面發生吸附和離子交換，進行配位反應，生成不同形態的配位化合物。在Visual MINTEQ軟件中選取Freundlich方程對Cu和Cd的吸附過程進行分析，分別得到吸附平衡時不同pH下，赤泥滲濾液中Cu2+和Cd2+及其各種化合物的濃度，結果分別如表3和表4所示。

表3 不同pH下吸附平衡時Cu的化學形態及其濃度 單位：μmol/L

表4 不同pH下吸附平衡時Cd的化學形態及其濃度 單位：μmol/L

圖1 不同pH下吸附平衡時Cu的形態分布

圖2 不同pH下吸附平衡時Cd的形態分布

2.3 溶液pH對Cu和Cd化學形態分布的影響

3 結論