水鐵礦納米材料對土壤中砷的吸附固定及其穩(wěn)定化反應機制.pdf

1、砷是我國土壤和地下水當中比較常見的一種超標有毒類金屬元素，嚴重影響農(nóng)產(chǎn)品質量安全和人體健康。使用鐵氧化物作為鈍化劑可有效降低土壤中有效態(tài)砷含量，其產(chǎn)物的穩(wěn)定性效果與氧化物的形態(tài)和粒徑大小等有關。納米材料由于巨大的比表面積和快速反應特性，已廣泛的用于土壤和水中污染物的去除。本研究以羧甲基纖維素鈉(CMC)和淀粉作為穩(wěn)定分散劑，實驗室內合成了水鐵礦(HFO)納米材料，將其用于土壤和水中砷的吸附固定。首先開展了水中砷的吸附熱力學及動力學實驗研

2、究，利用現(xiàn)代技術手段和表面絡合模型在分子水平上探究砷與HFO納米材料的相互作用機制，隨后進行土培實驗，評價HFO納米材料對土壤砷的穩(wěn)定化效果，并分析土壤中砷的形態(tài)變化，采用盆栽試驗驗證HFO納米材料對土壤砷生物有效性的影響，同時監(jiān)測鐵氧化物的組成和形態(tài)變化及其對各結合態(tài)砷含量的影響，最后通過批實驗和模擬土柱試驗探討了HFO納米材料對土壤砷的吸附、納米材料在土壤中的遷移及其與砷的協(xié)同歸趨行為。本研究結果將為砷污染土壤的原位修復和農(nóng)田安全利

3、用提供理論依據(jù)。主要研究結果如下:
　　1.CMC作為HFO納米材料的穩(wěn)定分散劑，主要通過產(chǎn)生空間位阻或靜電作用阻止納米材料的團聚。合成的HFO納米材料顆粒粒徑更小、分布均勻、比表面積較大，表面吸附點位增多，可增強HFO在水中的穩(wěn)定性，進而提高溶液中As(V)的吸附容量(355mg g-1)。
　　2.二級動力學方程對As(V)在HFO納米材料表面的吸附曲線擬合效果較好，表明化學吸附是控制其反應速率的主要因素。dual-mo

4、de等溫吸附模型能夠很好的解釋As(V)在HFO納米材料中的等溫吸附過程，結果發(fā)現(xiàn)當液相平衡濃度Ce小于939mg L-1時，砷主要以吸附作用為主，而當液相平衡濃度Ce大于40mg L-1時，過多的砷會使吸附劑表面吸附點位達到飽和，此時共沉淀作用增強。
　　3.FT-IR、XPS和XRD等光譜分析結果表明沉淀和表面絡合是As(V)在HFO納米材料表面的主要吸附機制。pH值會影響As(V)在HFO納米材料表面的吸附，其吸附容量先增加

5、后降低。通過表面絡合模型模擬可知，低pH值時，主要通過雙齒雙核表面絡合機制，高pH值時主要表現(xiàn)為單齒絡合機制。
　　4.HFO納米材料對于組成成分較復雜的As污染地表水也有較好的去除效果(～905％)。三次連續(xù)吸附，廢水中砷濃度降低至56μg L-1，遠低于世界衛(wèi)生組織所規(guī)定的10μg L-1。
　　5.非種植條件下HFO納米材料對土壤中砷的穩(wěn)定效率可達709％，土壤中TCLP可提取態(tài)砷含量降至179μg L-1。土壤中各結

6、合態(tài)砷含量結果可知普通HFO由于在穩(wěn)定過程中的重結晶和老化作用，可溶態(tài)砷易向F4晶形鐵鋁水合氧化物結合態(tài)砷轉變，而納米HFO可促使F1和F2形態(tài)的砷向無定型或弱結晶鐵鋁水合氧化物結合態(tài)砷轉變。
　　6.HFO納米材料在土壤中也保持良好的穩(wěn)定性，兩季盆栽結束后，05％的普通水鐵礦添加量下766％非晶形氧化鐵發(fā)生了轉化，而HFO納米材料的轉化率僅為28％。
　　7.土壤中砷的固液分配系數(shù)與非晶質鐵氧化物和晶質鐵氧化物的比值（Fe

7、o/Fed）呈顯著正相關(R=0521*)，非晶質鐵鋁氧化物結合態(tài)砷(F3)與Feo/Fed值也是顯著正相關(R=0549*)，表明土壤中絕大部分可溶態(tài)砷易與非晶形或者較小顆粒的鐵氧化物結合，從而影響土壤有效態(tài)砷含量和植物砷吸收量。
　　8.HFO納米材料對砷的鈍化效果優(yōu)于普通微米級HFO，且添加比例越多，效果越顯著。05％的添加比例下，第一季和第二季小油菜地上部砷含量分別降低了305％和610％，有效態(tài)砷含量降低了401％和52

8、9％，但植物生長量沒有明顯變化。HFO納米材料對土壤砷具有一定的后效，第二季作物的砷吸收量、土壤有效態(tài)砷含量等均比第一季有明顯的降低。
　　9.柱實驗模擬結果表明HFO納米材料給予一定壓力可輸入兩種供試土壤當中，使土壤淋出液中可溶態(tài)砷含量降低，CZ和CM兩種土壤可溶態(tài)砷含量分別降低了671％和787％。流出液中總砷的穿透曲線結果顯示納米材料與砷有協(xié)同遷移行為，且與土壤性質相關，特別是pH值、有機質含量和有效鐵、鋁、錳等含量的影響，