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环境工程类论文 化学淋洗法联合植物修复土壤中重金属Cd

2018-11-28 15:40:29来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要 首先采用大田盆栽进行实验,种植油葵修复土壤中的Cd,再采用去离子水、EDTA、盐酸、柠檬酸、醋酸等5种单一化学淋洗剂在室内进行柱淋洗,去除土壤中重金属Cd。实验结果表明,当土壤中初始添加重金属Cd的质量浓度分别为20 mg·kg-1和50 mg·kg-1时,盆栽种植油葵对重金属Cd的去除效率分别为25%和65%;在植物修复的基础上,继续采用0.04 mol·L-1的EDTA和0.05 mol·L-1的EDTA进行淋洗,对土壤中剩余重金属Cd的去除率分别达到83.33%和91.67%。但是当土壤粒度大于150 μm时,化学淋洗剂对土壤中的重金属Cd几乎无净化作用。

  关键词 化学淋洗;油葵;土壤;Cd

  前 言

  随着我国工业化进程的不断进步,虽然在很大程度上推动了经济的发展,但环境污染问题也日益突出。特别是大气、水、土壤、固废、噪声等方面的污染。在我国,农业作为第一产业,土壤问题就显得尤为重要。土壤重金属污染主要是由采矿和工业污染产生废水、废气,受到污染的废水、废气通过灌溉、降雨等方式进入土壤中。重金属主要来源于木材岩石风华的结果,它进入土壤中后,使被污染的土壤很难通过自己净化恢复到自然状态,从而打破了土壤环境的动态平衡。然而,土壤重金属污染最近几年的增加主要是因为各种人类活动的影响。在众多土壤重金属污染中,镉(Cd)的超标污染显得尤为重要。重金属Cd在化学、生物领域被应用甚多,同时,它在动植物体内也是一种非必需元素。土壤中重金属Cd易被某些 植物所吸收、富集,然后通过食物链影响动植物的生长 [3-5],进入人体后,容易引起全身乏力、骨质疏松等症状,严重者可导致癌症、痛痛病等和其他病变。因此,修复土壤环境中的Cd成为近年来的研究热点,受到了学术界的广泛关注。

  目前,国内外常见的土壤修复技术主要采用有化学修复法(稳定/固化法、淋洗法)、电动修复法、物理修复法(客土、翻土、换土法)、农业生态修复法、生物修复法(植物或微生物修复技术)等等,以去除受污染的土壤中的重金属。植物修复土壤是研究恢复土壤生态能力领域中的革新趋势。植物修复是借助于植物的特殊功能,呈现出有效、廉价和环境友好等优点被广泛关注[6-8,20]。虽然植物修复具有治理工程规模小、治理效果持久、治理成本经济低廉、治理过程操作简单、管理操作的容易、不易产生二次污染等优点,但是植物修复技术的过程通常比较缓慢,并且易受到植物生物量比较小、生长条件变化等影响而很难达到稳定、高效的修复效率[9-11],难以达到大规模用于重金属污染土壤的修复。

  化学淋洗法是修复受重金属污染的土壤另一种有效的方法,它通过向土壤中添加一定量的化学试剂,借助于螯合作用实现对重金属的净化修复目的,该方法的操作周期比较短,价格低廉,并且效果十分稳定,是有效的修复重金属污染土壤的手段之一 [12-14]。

  本文利用植物修复和化学淋洗法两种方法相联合,最后达到修复污染土壤的目的。首先人为的在不含Cd的土壤中喷洒一定量的含Cd溶液,然后在受重金属Cd污染的土壤中种植植物油葵,之后再选用五种不同的单一化学淋洗剂(去离子水、柠檬酸、EDTA、乙酸、盐酸),进一步净化污染土壤中剩余的重金属Cd。本文就是通过分析单一化学淋洗剂浓度、土壤粒度大小等因素对受污染土壤淋洗效果的影响,得出淋洗剂的用量与高效经济淋洗剂的种类,达到修复土壤的目的。

  1. 实验部分

  1.1仪器与试剂

  1.1.1 仪器

  表1 实验中所用主要仪器

  1.1.2 试剂

  表2 实验中所用主要试剂

  1.2 实验内容

  本实验所采用沙壤土土壤中不含有重金属Cd,人为添加所需要的重金属Cd(向不含Cd的土壤中喷洒CdCl2水溶液),接着通过一定方法充分搅拌混合均匀后,能够达到使每千克土壤中Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg。经过一定时间后,污染土壤自然风干,使其过2 mm的尼龙筛,施入尿素、硝酸钾、磷酸二氢钾作为底肥[19],放置一周后,备用。

  1.2.1植物修复法去除土壤中Cd

  将富集植物油葵种植在受重金属Cd的污染土壤中,用以修复土壤中的重金属Cd,富集植物油葵的种子由某机构提供。

  种植油葵期间要不定时间苗,并定时浇水,等到约三个月后,收获油葵。并采集油葵植物根部附近的土壤,自然风干、压碎、研磨、过筛后测定Cd的含量。按照公式计算富集植物油葵对受污染土壤中的重金属Cd的修复效率。

  (1)

  式中:E — 修复去除效率(%);

  C1 — 修复前受污染土壤中Cd质量浓度(mg·kg-1);

  C2 — 修复后受污染土壤中Cd质量浓度(mg·kg-1)。

  1.2.2 化学淋洗法去除土壤中Cd

  取油葵修复过的受污染土壤样品10.0g,土壤的初始质量浓度为每千克20 mg,将土壤样品加置于底部带有旋塞的玻璃层析柱(直径为3 cm,高为25 cm)当中,并利用医院输液塑料导管,为了防止在淋洗过程中土壤流出,在玻璃层析柱的底部铺上一层脱脂棉,分别采用150 mL不同的化学单一淋洗剂,利用医院输液塑料导管装置,加样流速为每分钟1.5 mL,自动滴加到玻璃层析柱中,保持淋出液慢速滴出。

  待淋洗液滴完后,将玻璃层析柱中的土壤倒出,自然风干,再经粉碎机粉碎,研磨,之后,再用尼龙筛(100目)筛分,通过石墨消解仪消解,处理后的试样与火焰原子吸收光谱仪上测定土壤样品Cd的含量,淋洗完毕后,取每个土壤样品三份平行,测定土壤样品的重金属浓度,结果取平均值含量。按照公式(1)计算化学淋洗剂对Cd的淋洗效率。

  1.2.3 测定土壤中Cd的含量

  将样品混合至均匀,在电子天平上量取样品0.2g(精确到±0.001g),添加到聚四氟乙烯消解管中,用签字笔在消解管上做好标记,然后加入微量蒸馏水润湿样品,并加入5ml盐酸,将样品溶解,盖上回流盖,之后放置消解管于石墨消解仪的任意消解孔中,以彻底破坏土壤的矿物晶格,设置好控制器上的各项参数,然后启动加热升温程序。待试剂加热到第二工步时,从石墨消解仪中取出消解管,待消解管稍微冷却后,缓慢加入5ml浓硝酸和8ml氢氟酸,盖上回流盖,放入石墨消解仪的消解孔继续加热。待样品达到第三工步时,此时加入2ml高氯酸,盖上回流盖,将消解管放回到石墨消解仪中继续消解。待消解完成后,取出在石墨消解仪中的消解管放置桌面在室温下冷却,通过一定方法将样品转移出来并定容至25ml,处理后的样品,放置于火焰原子吸收光谱仪中测定土壤中重金属Cd的含量。样品土壤的处理采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解的方法[15],具体步骤见表2。

  表2 土壤的全消解程序

  加热步骤加酸的类型T/℃t/min1盐酸70152硝酸、氢氟酸1502403高氯酸19090T为加热温度;t为加热时间

  2. 结果与讨论

  2.1植物修复法效果

  本实验所采用沙壤土土壤中不含有重金属Cd,人为添加所需要的重金属Cd(向不含Cd的土壤中喷洒CdCl2水溶液)后,接着通过一定方法充分搅拌混合均匀,能够达到使每千克土壤中Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg。用在大棚内摆放盆栽的方式,取适量的受污染土壤种植油葵,当油葵生长三个月后收获,分别测定种植油葵前后土壤中重金属Cd含量,计算油葵对Cd的修复效率。

  由数据分析可知,当每千克土壤中初始Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg时。人为种植富集植物油葵大约三个月后,测定Cd的含量,计算修复效率分别为25%和65%,由此可见,富集油葵植物对土壤中重金属Cd能够起到一定的修复效果,并且随着土壤中Cd含量的增加,富集植物油葵的净化能力也增强。由于在油葵植物修复污染土壤过程繁琐复杂,期间浇水、间苗工序周期慢,因此,单使用油葵修复净化土壤中Cd还不能满足实际环境净化修复的要求。

  2.2 化学淋洗法修复效果

  2.2.1化学单一淋洗剂对土壤中Cd的淋洗净化修复效果

  取油葵修复过的受污染土壤样品10.0g,初始质量浓度为20 mg·kg-1,装入玻璃层析柱中,分别在柱中滴加不同质量浓度的(包括0.04 mol·L-1和0.05 mol·L-1两种)去离子水、柠檬酸、EDTA、醋酸、盐酸这五种不同的化学单一淋洗剂,探究不同类型、不同浓度的化学单一淋洗试剂对土壤中重金属Cd的淋洗去除效果,分析结果见图1。

  图1 不同类型、不同浓度化学单一淋洗剂对Cd的淋洗去除率

  (E:淋洗去除效率)

  由图1可知,这五种不同的化学单一淋洗剂在浓度分别为0.04 mol﹒L-1和0.05 mol·L-1,五种化学单一淋洗剂对重金属Cd的去除效率为EDTA>柠檬酸>盐酸>醋酸>去离子水。由此可见,EDTA在众多淋洗剂中具有很突出的淋洗效果,柠檬酸也表现出来较强的净化效果,但是醋酸、盐酸和去离子水对重金属Cd的淋洗效果不太理想。研究结果表明,柠檬酸和EDTA都是非常有效的螯合提取剂,它们能够有效活化土壤中的重金属,从而促进重金属进入土壤洗脱溶液中[16, 17]。本实验中出现的现象说明EDTA和柠檬酸对重金属Cd表现出了较强的螯合能力,它们通过自身含有的配位体与Cd离子结合形成稳定的金属螯合物,从而降低了土壤液相中重金属Cd的质量浓度[18]。

  2.2.2化学单一淋洗剂对不同初始质量浓度Cd的淋洗效果

  当每千克土壤中初始Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg时。人为种植富集植物油葵大约三个月后,测定Cd的含量,计算修复效率分别为25%,和65%。于是我们开始探究在化学淋洗中,化学单一淋洗剂对不同初始质量浓度Cd的淋洗效果。接着,采用经过油葵修复后,每千克中初始Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg的土壤,取土壤样品10.0g,装入玻璃层析柱中,用EDTA、柠檬酸、盐酸(浓度均为0.05 mol·L-1)的三种不同的单一淋洗剂进行玻璃层析柱淋洗,重金属Cd的去除效率见图2。

  图2单一淋洗剂对不同浓度Cd的去除率

  (E为去除率)

  选取初始重金属含量不同的两组土壤进行实验,由关系图2可以看出,含重金属的浓度越高的土壤,通过淋洗柱淋洗后,单一的化学淋洗剂的淋洗效果没有太大的变化,说明各种淋洗剂都有一定的淋洗极限,达到一定的极限后,浓度变高,淋洗效果变化不明显,甚至会有一定程度的下降。

  2.3 土壤颗粒大小对淋洗效果的影响

  将含Cd初始质量浓度每千克为20 mg的土壤,经过油葵修复后,简单粉碎,使土壤粒度大小均大于150 μm,装入玻璃层析柱中,淋洗150 mL柠檬酸、EDTA、醋酸、盐酸不同的化学单一淋洗剂, Cd的去除效率见表3。

  通过表3说明,当土壤颗粒直径大于150 μm时,淋洗液快速地淋出,使其不能与土壤充分接触,而没有起到淋洗作用,导致当取出土壤干燥时,部分土壤还是未经润洗的状态,造成淋洗不充分的效果。

  表3 去除率与土壤颗粒大小的关系

  淋洗剂类型柠檬酸醋酸EDTA盐酸E/%0.000.000.080.00

  3.结论

  由植物(油葵)修复后再经过化学淋洗法相联合效果甚佳。当每千克土壤中初始Cd的质量浓度分别为20 mg和50 mg时。人为种植富集植物油葵大约三个月后,测定Cd的含量,计算修复效率分别为25%和65%,富集油葵植物对土壤中重金属Cd能够起到一定的修复效果,并且随着土壤中Cd含量的增加,富集植物油葵的净化能力也增强。当EDTA和柠檬酸作为化学单一淋洗剂,不管在自身浓度较高或者土壤中重金属含量较高的情况下,淋洗效果都明显优于其他几种淋洗剂,并且当土壤中初始Cd含量变高时,化学单一淋洗剂的淋洗效果变化不明显。当土壤颗粒大小大于150μm时,化学淋洗法的修复几乎无任何效果。

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