硅酸鈣板質廢棄物處理含鉛污水及土壤試驗

楊云平 任子杰 高惠民 王 康 李建德

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430070;2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070;3.國家硅材料深加工產品質量監督檢驗中心,江蘇 連云港 222300)

研究表明,硅酸鈣板孔隙率高且含有托貝莫來石,在污水處理和土壤改良等方面應用前景廣闊[6-7]。LUO等[8]向城市垃圾焚燒灰中加入氫氧化鈉和腐殖酸混合溶液,經過水熱處理制得托貝莫來石,能有效吸附污水中的Cu2+,吸附量達270.3 mg/g。韓劍宏等[9]以粉煤灰提鋁工業廢物為原料制備的硅酸鈣污水處理劑,可有效去除富營養化湖水中的氨氮。單偉等[10]以硅酸鈉和硝酸鈣為原料制備硅酸鈣,結果表明:所制備硅酸鈣不僅可以有效吸附溶液中的Cd2+,還對土壤中的Cd2+有較好的鈍化效果,有望作為土壤改良劑來修復重金屬污染土壤。

為充分利用硅酸鈣板廢棄物,分別以拋光粉和廢棄硅酸鈣板為原料制備污水處理劑和土壤改良劑,探究其對鉛溶液中Pb2+的吸附效果和鉛污染土壤中Pb2+的固化效果。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

(1)硅酸鈣板拋光粉。取自內蒙古某公司,粒度均在74 μm以下。經過XRD分析,其主要成分為托貝莫來石和未反應完全的石英砂,含有少量的方解石、消石灰,直接作為拋光粉吸附劑和拋光粉改良劑使用。

(2)廢棄硅酸鈣板。市售硅酸鈣板,經過XRD分析,其主要成分為托貝莫來石和未反應完全的石英砂,與硅酸鈣板粉末主要物相基本相同。將其破碎、篩分,取-74 μm粒級產物作為廢棄硅酸鈣板吸附劑;同樣方法取-900+150 μm、-150 μm 2個粒級,將這2個粒級按照質量比1∶1混合制備廢棄硅酸鈣板改良劑。

(3)含鉛污水。稱取3.197 g硝酸鉛,加入去離子水,充分攪拌,配制得到Pb2+濃度為2 000 mg/L的硝酸鉛溶液。

(4)供試土壤、污染土壤。土壤取自武漢市周邊農田,經過XRD分析,其主要物相為石英,含少量長石、云母、富鐵鈉閃石、剛玉、鈣鎂電氣石等,將其碾碎過2 mm標準篩作為供試土壤。取1 kg供試土壤,加入配制好的硝酸鉛溶液,攪拌均勻,加入去離子水,使土壤含水率達到20%,每天稱重,補水,使土壤水分保持穩定,熟化7 d后配制成污染土壤,Pb2+濃度為2 000 mg/kg。

1.2 試驗方法

(1)吸附試驗。取一定質量的吸附劑置于燒杯中,加入濃度為2 000 mg/L的Pb2+溶液,25 ℃水浴充分攪拌2 h,自然沉淀后,將燒杯中上清液移入離心管離心,然后用原子吸收光譜法測定離心管上清液中的Pb2+濃度。

項目地處西北某省，海拔高度：1 550 m；環境溫度： 最高42.7 ℃，最低-25.3 ℃；廠區主導風向:西北風，平均風速7.9 m/s，最大風速34 m/s。

(2)脫附試驗。取一定質量的吸附劑,加入過量Pb2+溶液(V1=250 mL),在25 ℃水浴條件下充分攪拌,使其達到飽和吸附,離心并固液分離,用去離子水清洗過濾得到的固體,以去除未被吸附劑吸附的鉛離子,測定溶液中Pb2+濃度為C1=741.303 7 mg/L。再加入去離子水(V2=250 mL),25 ℃水浴,每隔1 d攪拌6 h,定期取上清液檢測溶液中Pb2+濃度C2,按下式計算脫附率k

(3)土壤中重金屬固化試驗。取一定質量的污染土壤,加入一定質量的改良劑,充分攪拌,加入去離子水,使土壤含水率達到20%,每天稱重、補水,定期取土壤,按照《土壤質量 有效鉛和鎘的測定》(GB/T 23739—2009)測定有效Pb2+含量。

(4)土壤物理性質改良試驗。取一定質量的供試土壤,加入一定質量的改良劑,充分攪拌,加入自來水,使土壤含水率達到20%,定期檢測土壤中含水率的變化,室內放置20 d后檢測土壤容重及pH。按照《土壤水分測定》(NY/T 52—1987)測定土壤水分,按照《土壤容重的測定》(NY/T 1121.4—2006)測定土壤容重,按照《土壤pH值的測定》(NY/T 1121.2—2006)測定土壤pH。

2 試驗結果與分析

2.1 2種吸附劑對Pb2+的吸附效果研究

2.1.1 吸附試驗

取50mL濃度為2000mg/L的Pb2+溶液12份,依次分別加入2種吸附劑0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.00 g,按照1.2節(1)描述的方法進行吸附試驗,結果見圖1。

圖1 吸附劑濃度對Pb2+吸附效果的影響Fig.1 Influence of adsorbent concentration on Pb2+adsorption effect

由圖1(a)可知:隨著拋光粉吸附劑用量的增加,Pb2+濃度持續減少;且溶液pH值隨吸附劑用量的增加緩慢上升,溶液中H+離子減少,與Pb2+的競爭吸附作用減弱,有利于Pb2+的吸附[11]。吸附劑濃度達到1%時,溶液中Pb2+已經基本被吸附完全。吸附劑濃度為0.5%時,此時溶液中Pb2+濃度為675.8 mg/L,溶液中還有大量的Pb2+,達到飽和吸附,利用文獻[12]的方法計算出對Pb2+的吸附量為264.84 mg/g,硅酸鈣板拋光粉對重金屬Pb2+的吸附效果較好[13]。

由圖1(b)可知:廢棄硅酸鈣板吸附劑對Pb2+的吸附效果與拋光粉吸附劑基本相同。吸附劑濃度為1%時,Pb2+基本吸附完全。吸附劑濃度為0.5%時,達到飽和吸附,Pb2+的吸附量為275.12 mg/g,略高于硅酸鈣板拋光粉對Pb2+的吸附量。

由于拋光粉中還含有Ca(OH)2,可能會使溶液中的Pb2+發生沉淀,而不是被托貝莫來石吸附[14]。因此計算了濃度為2 000 mg/L的Pb2+溶液中Pb2+發生沉淀的最小pH值,為7.51。由圖1(a)可知:當拋光粉吸附劑添加量為4%時,溶液pH值為7.38,此時溶液中Pb2+濃度已經為零,說明鉛溶液中的Pb2+均被硅酸鈣板拋光粉所吸附。

2.1.2 脫附試驗

2種污水處理劑吸附效果相似,因此只對硅酸鈣板拋光粉進行脫附試驗。硅酸鈣板拋光粉添加量為0.5%時達到飽和吸附狀態,故向250 mL Pb2+濃度為2 000 mg/L的鉛溶液中加入1.25 g的硅酸鈣板拋光粉,按照1.2中(2)描述的方法進行脫附試驗。脫附試驗結果見圖2。

圖2 脫附試驗結果Fig.2 Desorption test results

由圖2可知:隨著脫附天數的增加,剛開始溶液中Pb2+濃度和脫附率上升較快,最終逐漸趨于平穩,且脫附率一直較低。吸附劑對Pb2+的吸附較為牢固,最終脫附率只有1.52%,說明試驗所用吸附劑不僅對Pb2+吸附容量較大,而且吸附牢固[15]。

2.2 不同廢棄物對土壤中重金屬固化效果研究

取14份質量相同的污染土壤,每份2 kg,分別加入與土壤質量比0、0.2%、0.5%、1%、2%、4%、6%的2種改良劑,添加去離子水,使土壤含水率保持在20%,每天稱重,補水,使土壤水分基本保持不變。分別在7、14 d取樣,測定其有效鉛離子含量。試驗結果見圖3。

圖3 不同添加量條件下2種改良劑固化土壤中Pb2+試驗結果Fig.3 Test results of immobilization of Pb2+ in soil by two amendments with different concentrations

由圖3可知:當改良劑添加量為0時,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+含量較第7 d略低,說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]。

由圖3(a)可知:土壤中有效Pb2+含量隨著拋光粉改良劑添加量的增加而減少,這是因為拋光粉用量的增加提高了拋光粉與土壤中Pb2+的接觸,使土壤中的Pb2+更容易被吸附。培養天數的增加使得土壤中有效Pb2+含量降低,這是因為每天持續的補水,部分Pb2+溶解到水中而被拋光粉吸附。

由圖3(b)可知:硅酸鈣板制備的改良劑和拋光粉對土壤中的Pb2+的固化效果基本相同,效果良好。若提高土壤中的Pb2+與改良劑的接觸概率,使其充分接觸,改良效果將會繼續提高[18]。

2.3 不同廢棄物對土壤理化性質改良的研究

取相同土壤12份,每份2 kg,分別向其中加入與土壤質量比0、2%、4%、6%、8%、10%的2種改良劑,向每份土壤中加入1 000 mL的水(每10 d加500 mL),室外培養20 d,檢測土壤的pH值、含水率和容重。試驗結果見表1和圖4。

表1 拋光粉和廢棄硅酸鈣板改良土壤試驗結果Table 1 Test results of soil improvement with polishing powder or calcium silicate board improver

圖4 不同添加量條件下2種改良劑改良土壤試驗結果Fig.4 Test results of soil improvement with two kinds of soil amendments in different concentrations

由圖4(a)可知:隨著拋光粉改良劑添加量的增加,土壤pH值緩慢升高,土壤容重大幅度下降。說明拋光粉改良劑不僅可以有效地改良酸性土壤,還可以降低土壤容重,增加土壤孔隙率,防止土壤板結[19-20]。

由表1可知:拋光粉改良劑的加入降低了土壤的含水率。這是因為土壤容重的降低,導致土壤孔隙率升高、表面積增大,水蒸發速度加快,進而含水率降低[20]。但降低幅度很小,說明拋光粉對土壤有保濕效果。

結合表1與圖4(b)分析可知:隨著廢棄硅酸鈣板改良劑添加量的增加,土壤pH值緩慢升高,幅度較拋光粉低,說明其堿性更弱。與拋光粉對比,廢棄硅酸鈣板制備的改良劑對降低土壤容重的效果更佳。

3 結 論

(1)廢棄的硅酸鈣板和拋光粉主要成分均為托貝莫來石,對溶液中Pb2+均有較好的吸附效果,拋光粉對Pb2+的吸附容量為264.84 mg/g,硅酸鈣板拋光粉制備的吸附劑對Pb2+的吸附容量為275.12 mg/g。脫附試驗結果說明托貝莫來石對Pb2+的吸附不僅吸附效果好,而且吸附較為牢固。

(2) 2種改良劑對土壤中的Pb2+均有良好的固化效果,若提高改良劑與土壤中Pb2+的接觸率,改良效果將會提高。

(3) 2種改良劑均可以大幅度降低土壤容重,但是當添加量過大時,會增加土壤pH值,拋光粉的堿性要強于硅酸鈣板制備的土壤改良劑。