典型纳米材料和细菌对铅和铬在饱和多孔介质中迁移的影响

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冶炼、电镀等工业废水中会存在铅和铬等重金属,这类废水的排放会导致重金属铅和铬等进入环境介质,从而对土壤和地下水造成潜在危险。重金属铅和铬在多孔介质中的迁移行为决定其环境风险。自然环境中多孔介质的组成及共存的物质如游离态的纳米材料、细菌等都将会对重金属铅和铬的迁移行为存在影响。  首先,本研究在pH=5,5mM NaCl离子强度的条件下,考察了两种典型纳米材料—纳米二氧化钛和碳纳米管对两种重金属铅和铬(Ⅵ)在饱和石英砂多孔介质中的迁移行为的影响。研究发现,无纳米材料存在时,铅和铬(Ⅵ)两种重金属在石英砂多孔介质中的迁移能力都很强,且铬(Ⅵ)的迁移能力大于铅。与铅相比,铬(Ⅵ)具有更大的溶解度且与石英砂多孔介质有相同的电性,使德其在迁移过程中更不易被吸附。当纳米材料存在时,纳米二氧化钛的存在能够抑制铅和铬(Ⅵ)的迁移,且纳米二氧化钛对铅迁移的抑制作用大于对铬(Ⅵ)。当纳米二氧化钛存在时,纳米二氧化钛能吸附一定量的铅和铬(Ⅵ),同时带正电的纳米二氧化钛完全截留在柱子中,所以被纳米二氧化钛所吸附的铅和铬(Ⅵ)也截留在柱子中,因此纳米二氧化钛的存在抑制了两种重金属的迁移。而碳纳米管存在时,其会抑制铅的迁移却能够促进铬(Ⅵ)的迁移。铅与碳纳米管共存时,碳纳米管受铅影响,稳定性交差发生团聚,大的团聚体被截冒在柱子中,从而使得被碳纳米管吸附的铅也截留在柱子中,因此碳纳米管会抑制铅的迁移;然而,碳纳米管与铬(Ⅵ)共存时,其团聚行为不受共存铬(Ⅵ)的影响,两者都具有很好的迁移性能,且铬(Ⅵ)能够吸附在碳纳米管表面,随着碳纳米管而迁移,因此碳纳米管的存在能促进铬(Ⅵ)的迁移。  同时,本研究选用石英砂和载铁石英砂两种多孔介质,在pH=5,5mM NaCl离子强度的条件下考察了典型细菌大肠杆菌C3000对铅和铬(Ⅵ)迁移行为的影响。结果表明,无细菌存在时,与在石英砂中相比,铅和铬(Ⅵ)在载铁石英砂多孔介质中的迁移受到了抑制。这是由于载铁石英砂与石英砂相比具有更大的比表面积,能为铅和铬(Ⅵ)提供更多吸附位点,且载铁石英砂表面含有丰富的羟基和Fe-O等基团,能更有效地与铅和铬(Ⅵ)结合,使得铅和铬(Ⅵ)两种重金属的迁移能力明显减弱。有细菌存在时,在饱和石英砂多孔介质中,细菌的存在不能影响铅和铬(Ⅵ)的迁移。虽然细菌能够与一定的铅结合,但是细菌在饱和石英砂多孔介质中具有很强的迁移能力,在石英砂柱中的截留量很小,即使有铅被细菌吸附,铅也无法被截留在柱子中,因此细菌的存在对铅在石英砂中的迁移影响微弱;而相比铅而言,细菌基本不能吸附铬(Ⅵ),所以共存细菌无法影响铬(Ⅵ)在石英砂中的迁移行为。但是当饱和多孔介质变为载铁石英砂时,细菌的存在能够抑制铅的迁移而对铬(Ⅵ)的迁移没有影响。在载铁石英砂中,细菌基本无法穿透柱子,造成被细菌吸附的铅也无法穿透柱子,因此细菌的存在抑制了铅在饱和载铁石英砂多孔介质中的迁移;而铬(Ⅵ)基本不被细菌吸附,所以即使细菌被截留在载铁石英砂中,它并不能显著影响铬(Ⅵ)在饱和载铁石英砂多孔介质中的迁移行为。  本文研究了广泛使用的纳米材料纳米二氧化钛和碳纳米管以及自然界广泛存在的细菌对重金属铅和铬(Ⅵ)在多孔介质中迁移的影响。研究结果可以为预测重金属在土壤地下水中的迁移行为提供理论依据。
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