垃圾填埋场防渗粘性土对多环芳烃的吸附作用研究——以菲为例

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:lijing202740
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随着社会经济的快速发展,城市人口急剧膨胀,由此产生的城市生活垃圾日渐增多,成为环境的主要污染源,垃圾中渗滤液对环境的污染尤其严重。垃圾中的渗滤液已成为严重的环境污染源。垃圾渗滤液中含有大量的有机污染物,其中以多环芳烃为主的持久性有机污染物危害最大,具有致癌、致畸、致突变特性,且可以在环境中长期蓄积,此类物质一旦污染土壤或地下水将难以治理。我国目前对垃圾防渗粘性土吸附多环芳烃类污染物的研究还处于空白,现行的垃圾填埋处置规范中也没有相关的排放标准,防渗衬层对多环芳烃的阻隔能力处于未知状态。因此,为了合理优化设计垃圾填埋防渗衬层以有效地保护环境,亟需开展防渗粘性土对垃圾渗滤液中多环芳烃类污染物的吸附能力的研究。   菲作为多环芳烃类物质中的一种,具有较小的分子量及较强的化学惰性,且分子结构具有多环芳烃致癌性的最小特征单元。菲的理化性质及毒性与多环芳烃类其他物质类似,对环境及人类健康构成极大危害,在多环芳烃的研究中常将菲作为代表物进行研究。因此,本研究选取菲作为多环芳烃的代表物,研究其在防渗粘性土中的吸附行为,以此探索多环芳烃类污染物在防渗粘性土中的吸附作用研究。   通过吸附动力学实验、等温吸附实验以及影响因素实验,分析了垃圾填埋场防渗粘性土对菲的吸附作用。根据实验结果,探讨吸附机理及影响因素的作用机制,得到如下结论:   (1)菲的吸附动力学特征   菲的吸附动力学过程共经历了4个阶段:   ①快速吸附阶段   在实验初始2小时内,粘性土对菲的吸附作用很快,菲能够快速到达粘性土颗粒的疏水表面,迅速形成表面吸附,一般需要时间较短。   ②慢速吸附阶段   2小时至8小时之间土壤吸附菲的浓度仍在增加,土壤中较易吸附的疏水点位被菲占据,菲开始向粘土颗粒内部扩散,进入粘土内部不易吸附的疏水位点,吸附速度开始减缓。   ③吸附平衡阶段   8小时之后,直到24小时,土壤吸附浓度变化不明显,说明该阶段达到吸附平衡。   ④解吸阶段   随着时间的延长,吸附平衡之后受振荡作用的影响,土壤与水中的菲浓度又产生变化土壤所吸附的一部分菲又重新分配到水溶液中。根据吸附动力学曲线,在吸附充分达到平衡的基础上,将吸附平衡时间定为9小时。   (2)等温吸附模型   防渗粘性土对菲的吸附等温线符合Freundlich模型,相关系数为0.98,属于非线性等温吸附。菲的土-水分配系数Kd为0.01,有机碳和水之间的分配系数为14.29。   (3)菲在防渗粘性土中的吸附机理   菲在防渗粘性土中的吸附主要是表面吸附作用,菲与矿物表面吸附点之间形成物理化学吸附,通过范德华力及化学键的作用结合在一起。同时,土样中有机质含量较少,其分配作用不占据主导位置,但对菲的吸附起到一定的辅助作用。本实验中菲在粘性土中的吸附是表面吸附作用与分配作用共同影响的结果,其中以表面吸附为主,分配作用为辅。   (4)影响因素对防渗粘性土吸附多环芳烃的作用机制   防渗粘性土对多环芳烃吸附是一个复杂的相互作用的过程,受多种因素的影响,本研究考虑了粘性土的有机质含量、颗粒大小以及环境因素中pH值的影响。   ①pH影响机制   当pH值为7.42时,粘性土中加酸或加碱都可增大其对菲的吸附量,而且碱性环境作用更明显。当pH值>7.42时,土样对菲的吸附量随pH值的增大而迅速增大;pH值<7.42的酸性环境中,对菲的吸附量也变大,但是随着酸性的加强,当pH值<6.74之后,吸附能力不再有明显变化。   ②胡敏酸影响机制   当胡敏酸的含量为5%时,对菲的吸附能力达到最优,吸附率达到98.5%。胡敏酸对菲的吸附可能是通过胡敏酸中脂肪族类物质的分配及疏水吸附等形式与有机污染物菲结合;或者胡敏酸中的羰基会与菲中的氢形成氢键进行吸附;还有可能与胡敏酸的骨架有关,如骨架中的苯环可能会与菲中的平面苯环π电子重叠而形成共轭,间或是胡敏酸骨架中的非极性烃类与非极性的菲之间范德华力引起的。   ③土样颗粒大小影响机制   土样颗粒大小不同对菲最大吸附量的影响也不同。颗粒大小与比表面积及有机质有关,颗粒越小,比表面积越大,表面吸附点位越多,吸附量越大。本实验中,菲的最大吸附量与土体的粘粒含量、比表面积呈正比,由大到小顺序为粘性土>粉质粘土>细砂。   (5)防渗粘性土的优化设计   将防渗粘性土中的pH值、胡敏酸含量、颗粒大小等条件进行有机结合,可设计出一种对有机污染物净化性能最佳的垃圾填埋场防渗衬层。如选取颗粒粒径小的粘性土作为防渗土层,与胡敏酸按特定比例混合(胡敏酸质量比为5%),混合后的土体加入生石灰调节到一定的碱性环境,将调节后的土体作为优化的防渗衬层用于垃圾填埋场的设计。本研究目前还只是初步探索。
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