微納米氣泡氣浮法修復鎘污染土壤的試驗研究

摘要：主要研究微納米氣泡氣浮法在鎘污染土壤修復中的去除效果。利用深圳市寶安區采集的土壤模擬鎘污染環境，通過單因素試驗探討硫化鈉、硫酸銨、捕收劑十六烷基三甲基溴化銨（Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide，CTAB）和起泡劑8#油用量對鎘脫除率的影響，確定了最佳工藝參數：硫化鈉用量為36 g/kg，硫酸銨用量為32 g/kg，CTAB用量為2.8 g/kg，8#油用量為1.5 g/kg，浮選時間為55 min以及pH值為8。閉路浮選工藝“一粗三掃”試驗進一步驗證工藝的高效性，修復土壤產率為92.2%，鎘含量為0.10 g/kg；泡沫產品產率為7.8%，鎘含量為10.84 g/kg；鎘離子脫除率為94.5%，污染土壤中鎘遷移能力顯著降低。微納米氣泡氣浮法為土壤鎘污染修復提供了一種高效、低環境負擔的解決方案，可以應用于突發重金屬鎘污染土壤的應急處理。

關鍵詞：微納米氣泡氣浮法；鎘污染；修復；土壤

中圖分類號：X523 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0406

Experimental Study on Remediation of Cadmium Contaminated Soil by Micro-Nano Bubble Air Flotation

ZHENG Yili

（Shenzhen Jingtai Rong Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518104， China）

Abstract： The main research focuses on the removal effect of micro nano bubble air flotation in cadmium contaminated soil remediation. Using soil samples collected from Bao’an District， Shenzhen to simulate cadmium pollution environment， single factor experiments were conducted to investigate the effects of sodium sulfide， ammonium sulfate， Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide （CTAB） collector， and foaming agent 8# oil dosage on cadmium removal rate. The optimal process parameters were determined as follows： sodium sulfide dosage of 36 g/kg， ammonium sulfate dosage of"32 g/kg， CTAB dosage of 2.8 g/kg， 8# oil dosage of 1.5 g/kg， flotation time of 55 min， and pH value of 8. The “one coarse and three sweeping” experiment of the closed-loop flotation process further verified the efficiency of the process， with a soil remediation yield of 92.2% and a cadmium content of 0.10 g/kg; The yield of foam product is 7.8%， and the cadmium content is 10.84 g/kg; The removal rate of cadmium ions is 94.5%， and the migration ability of cadmium in polluted soil is significantly reduced. Micro nano bubble air flotation provides an efficient and low environmental burden solution for soil cadmium pollution remediation， which can be applied to emergency treatment of sudden heavy metal cadmium contaminated soil.

Keywords： micro-nano bubble air flotation; cadmium pollution; remediation; soil

土壤重金屬污染成為全球關注的環境問題，尤其是工業廢水和廢棄物含有鎘等高毒性重金屬，通過累積作用和食物鏈遷移，對生態系統和人類健康構成重大威脅[1]。傳統的重金屬污染土壤修復方法成本高昂、周期長且操作復雜，難以在突發污染事件中迅速應對[2]。近年來，微納米氣泡氣浮法因其氣泡粒徑小、比表面積大，具備極高的活性和高效分離能力，展現出在重金屬污染土壤修復中的潛力。主要對微納米氣泡氣浮法修復金屬鎘污染土壤進行試驗研究，分析硫化劑硫化鈉、強化硫化劑硫酸銨、捕收劑十六烷基三甲基溴化銨（Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide，CTAB）及起泡劑8#油等因素優化鎘污染土壤修復效果，探討微納米氣泡氣浮法在鎘污染土壤修復中的應用效果，為實現高效、環保的重金屬污染土壤修復提供科學依據[3]。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和設備

試驗用土壤樣品采集自廣東省深圳市寶安區郊區，用來模擬鎘污染土壤環境，樣品經自然晾干、混勻及縮分處理后，分析其化學成分。土壤中主要成分為SiO2，占72.05%，Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、其他分別占16.32%、6.01%、1.76%、1.01%、2.85%。CTAB、硫化鈉和硫酸銨均為分析純，8#油和起泡劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。

自制微納米氣泡氣浮裝置如圖1所示，主要由微納米氣泡發生器、容器罐、高壓泵、壓力傳感器以及曝氣噴頭等部分組成，能夠有效生成穩定、均勻的微納米氣泡[4]。

1.2 試驗方法

1.2.1 污染土壤制備

第一步，將采集的土壤置于通風處晾曬干燥，經常翻動土壤并將大塊捏碎，除去樹枝、落葉等雜質；第二步，將干燥土壤采用破碎機破碎為細小土粒，過篩（篩網孔徑2 mm），得到土壤樣品；第三步，在放置一定量土壤的攪拌桶中，加入10 g/kg的CdCl2溶液，相互作用20 min，制備鎘含量為10 g/kg的鎘污染土壤。

1.2.2 預處理

第一步，加入一定量硫酸銨（強化硫化劑）來減弱硫化鈉在硫化浮選中的抑制作用，攪拌8 min；第二步，在污染土壤中加入一定量的硫化鈉（硫化劑）進行硫化，時間為12 min；第三步，加入一定的捕收劑CTAB，攪拌8 min；第四步，加入一定量的8#油（起泡劑），攪拌4 min。

1.2.3 微納米氣泡氣浮修復污染土壤

將污染土壤溶液置于微納米氣泡氣浮裝置，啟動設備，等待土壤溶液在柱中穩定循環15 min以上，充入氣體，當浮選柱中的泡沫層逐漸堆積達到穩定以后，刮泡，得到泡沫產品和修復后的土壤；真空過濾+恒溫烘干后，稱重，計算試驗產率，測定鎘離子含量，進一步計算鎘離子脫除率[5]。

1.3 鎘離子脫除率計算

鎘離子脫除率計算公式為

（1）

式中：η為隔離子脫除率，%；C1為修復后土壤中鎘含量，g/kg；γ1為修復后土壤產率，%；C0為污染土壤中鎘的初始含量，g/kg；γ0為污染土壤的初始產率，取100%。

2 結果與討論

2.1 工藝參數對鎘離子脫除率的影響

通過單因素試驗依次考察了不同工藝參數對鎘離子脫除率的影響。重點分析硫化鈉、硫酸銨、捕收劑CTAB及起泡劑8#油的用量、浮選時間以及pH值等關鍵因素，找出各參數的最佳工藝參數，實現高效、穩定的鎘去除效果。

2.1.1 硫化鈉用量對土壤中鎘離子脫除率的影響

其他試驗條件一致，采用不同硫化鈉用量（12、24、36、48、60、72 g/kg）進行鎘污染土壤修復試驗，考察硫化鈉用量對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為29.6%、48.6%、55.5%、51.7%、40.2%、32.4%。

隨著硫化鈉用量從12 g/kg增加至36 g/kg，土壤中鎘離子脫除率顯著提高，從29.6%提高至最高55.5%。硫化鈉作為硫化劑在溶液中與鎘離子反應生成硫化鎘沉淀，該沉淀溶解度極低，有助于鎘的穩定化。適量的硫化鈉能夠提供足夠的硫離子與鎘離子反應，生成更多硫化鎘沉淀，從而提高鎘的去除率。

當硫化鈉用量從36 g/kg增加至72 g/kg后，鎘離子脫除率反而開始下降，從55.5%降低至32.4%。這表明，適量的硫化鈉有助于鎘離子的硫化沉淀，但過量的硫化鈉可能導致溶液中硫化物離子濃度過高，產生抑制作用，使硫化鎘沉淀變得不穩定或表面過度負載，從而影響浮選效果，導致鎘的脫除率降低。因此，硫化鈉最佳用量為36 g/kg，鎘離子脫除率最高為55.5%。

2.1.2 硫酸銨用量對土壤中鎘離子脫除率的影響

硫化鈉用量為36 g/kg，其他試驗條件一致，采用不同硫酸銨用量（0、8、16、24、32、40 g/kg）進行鎘污染土壤修復試驗，考察硫酸銨用量對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為59.8%、61.4%、62.5%、63.2%、64.3%、63.8%。

隨著硫酸銨從0 g/kg增加至32 g/kg，鎘離子脫除率逐漸提高，從59.8%提高至最高64.3%。硫酸銨作為強化硫化劑，能夠穩定硫化鈉的硫化作用，減弱硫化鈉的抑制效應，增加鎘離子與捕收劑的結合強度。隨著硫酸銨用量的增加，絡合效應增強，從而提高鎘離子去除率。

當硫酸銨從32 g/kg繼續增加至40 g/kg時，脫除率略微下降至63.8%，表明過量的硫酸銨對脫除效果產生抑制作用。過多的銨離子與水中其他成分發生競爭吸附，削弱了鎘離子脫除效果。因此，硫酸銨最佳用量為32 g/kg，鎘離子脫除率最高為64.3%。

2.1.3 CTAB用量對土壤中鎘離子脫除率的影響

硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg，其他試驗條件一致，采用不同CTAB用量（1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6 g/kg）進行鎘污染土壤修復試驗，考察CTAB用量對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為54.3%、62.6%、69.5%、72.2%、79.2%、79.3%、79.2%。

隨著CTAB用量從1.2 g/kg增加至2.8 g/kg，鎘離子脫除率顯著提高，從54.3%提高至79.2%。CTAB作為陽離子型捕收劑，能夠與硫化鎘顆粒表面發生靜電作用，增加顆粒的疏水性，促進氣泡攜帶鎘顆粒上浮。在2.8 g/kg的CTAB用量下，硫化鎘顆粒表面形成飽和吸附層，達到最佳浮選效果。

當CTAB用量從2.8 g/kg增加至3.2 g/kg和3.6 g/kg時，脫除率趨于平穩狀態，穩定在79.3%左右，表明此時捕收劑CTAB已達到飽和吸附效果。因此，硫酸銨最佳用量為2.8 g/kg，鎘的脫除率最高為79.2%左右。

2.1.4 起泡劑8#油用量對土壤中鎘離子脫除率的影響

硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg、CTAB用量為2.8 g/kg，其他試驗條件一致，采用不同起泡劑8#油用量（1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/kg）進行鎘污染土壤修復試驗，考察8#油對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為53.5%、63.1%、68.2%、72.1%、75.3%、81.5%、77.5%。

隨著8#油用量從1.0 g/kg增加至1.5 g/kg，土壤中鎘離子脫除率逐漸提高，從53.5%提高至最高81.5%。8#油為醇類化合物，在浮選過程中主要通過形成穩定的氣泡，使鎘顆粒更好地附著并上浮，提升脫除效果。氣泡的穩定性和大小對浮選效果至關重要，在1.5 g/kg的8#油用量下，氣泡的穩定性和顆粒的疏水性達到最佳匹配。

當8#油用量從1.5 g/kg增加至1.6 g/kg時，鎘離子脫除率略微下降至77.5%，表明過量的起泡劑可能會導致氣泡相互融合變大，氣泡穩定性降低，進而影響顆粒附著效率并降低浮選效果。因此，8#油起泡劑最佳用量為1.5 g/kg，鎘離子脫除率最高為81.5%。

2.1.5 浮選時間對土壤中鎘離子脫除率的影響

硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg、CTAB用量為2.8 g/kg、起泡劑8#油用量為1.5 g/kg，其他試驗條件一致，采用不同浮選時間（35、45、55、65、75、85 min）進行鎘污染土壤修復試驗，考察浮選時間對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為49.4%、71.2%、84.2%、84.3%、84.2%、84.2%。

隨著浮選時間從35 min增加到55 min，鎘離子脫除率顯著提高，從49.4%提高至84.2%。浮選時間直接關系著鎘顆粒的附著和上浮時間，在55 min，鎘離子脫除率達到84.2%，表明鎘離子顆粒有足夠的時間與氣泡接觸并上浮至泡沫層。

當浮選時間從55 min延長至85 min時，脫除率基本保持不變，穩定在84.2%左右。這表明浮選過程已達到動態平衡，再增加時間對鎘顆粒的浮選效率并無顯著提高。因此，最佳浮選時間為55 min，鎘離子脫除率最高為84.2%左右。

2.1.6 pH對土壤中鎘離子脫除率的影響

硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg、CTAB用量為2.8 g/kg、起泡劑8#油用量為1.5 g/kg、浮選時間為55 min，其他試驗條件一致，采用不同pH值（2、4、6、8、10、12）進行鎘污染土壤修復試驗，考察pH值對鎘離子脫除率的影響。鎘離子脫除率分別為70.5%、77.8%、82.7%、85.6%、72.6%、48.6%。

隨著pH值從2增加到8，鎘離子脫除率逐步提高，達到85.6%的最高值。pH值是影響鎘離子硫化沉淀和捕收劑吸附關鍵因素，在pH值為8的弱堿性條件下，硫化鎘生成效率最高，且捕收劑CTAB的吸附能力最強，實現最佳浮選效果。

當pH值從8增大到10、12時，脫除率分別下降至72.6%、48.6%。當pH值超過8時，溶液中氫氧根（OH?）濃度過高，增加硫化鎘的溶解度，影響鎘顆粒的形成和氣浮效果，需要控制pH在適當范圍內，從而保持浮選分離效果。因此，最佳pH值為8，鎘離子脫除率最高為85.6%。

2.2 浮選閉路試驗

基于單因素試驗結果，確定最優工藝參數：硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg、CTAB用量2.8 g/kg、起泡劑8#油用量為1.5 g/kg、浮選時間為55 min、pH值為8。在此條件下，采用“一粗三掃”閉路浮選試驗。

在“一粗三掃”閉路試驗中，分別進行粗選和三次掃選，進一步提高鎘的回收效率。粗選主要用于快速去除大部分鎘顆粒，而掃選過程通過反復浮選來提純土壤，進一步降低殘留的鎘含量。閉路浮選法的核心在于每個步驟均可針對特定浮選環境進行優化，確保浮選分離效果的可持續性和穩定性。

試驗結果顯示，經過“一粗三掃”后，修復土壤產率為92.2%，鎘含量降至0.10 g/kg；泡沫產品產率為7.8%，其中鎘含量為10.84 g/kg，鎘離子脫除率達到94.5%。微納米氣泡氣浮法在鎘污染土壤修復中展現出顯著效果，大幅降低污染土壤中的鎘離子含量，削弱了鎘的遷移能力。該方法為突發土壤鎘污染事件應急處理提供了一種高效、低環境負擔的修復方案。

3 結論

微納米氣泡氣浮法在鎘離子污染土壤修復中表現出優異的去除效果。通過優化試驗條件，確定了最佳工藝參數：硫化鈉用量為36 g/kg、硫酸銨用量為32 g/kg、CTAB用量為2.8 g/kg、起泡劑8#油用量為1.5 g/kg、浮選時間為55 min、pH值為8，采用“一粗三掃”閉路浮選工藝，鎘污染土壤中鎘離子脫除率高達94.5%。微納米氣泡氣浮法為鎘污染土壤的修復提供了一種高效可行的解決方案。

參考文獻

1 郭 彬，蘇宏建.基于微納米氣泡修復技術的地下水重金屬污染實驗[J].黑龍江科學，2024（8）：18-20.

2 元妙新，占 升，張 欣，等.氧氣微納米氣泡在地下水原位修復中的應用研究[J].環境工程技術學報，2022（4）：1342-1349.

3 代朝猛，張峻博，段艷平，等.微納米氣泡特性及在環境水體修復中的應用[J].同濟大學學報（自然科學版），2022（3）：431-438.

4 傅開彬，秦天邦，徐 信，等.納米氣泡氣浮應急修復銅離子污染土壤的工藝研究[J].礦冶工程，2021（1）：54-58.

5 傅開彬，秦天邦，龍美樵，等.應用納米氣泡氣浮應急修復重金屬污染土壤[J].金屬礦山，2020（4）：200-205.

作者簡介：鄭憶麗（1996—），女，廣東汕頭人，助理工程師。研究方向：環境影響評價、竣工驗收、排污許可證、突發環境事件應急管理。