亚铁盐对固废/土壤中重金属的稳定化作用及机理研究

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亚铁盐在稳定化重金属方面具有绿色、经济、适用范围广等特点,已被广泛应用于固废、土壤和水体中重金属的污染治理中。与水污染治理相比,由于固相介质的复杂性,重金属污染固废和土壤的的安全处理难度较大,反应机制更为复杂。本文将亚铁盐应用于不同类型的重金属污染固废/土壤的稳定化处理中,重点研究了处理对象固有特性对重金属稳定化效果和机理的影响,主要研究内容及结果如下:(1)以高浓度、高毒性的铬渣为处理对象,提出了亚铁盐和硫酸协同稳定化处理技术,重点研究了铬渣固有特性对Cr(VI)稳定化效果、长效稳定性和稳定化机理的影响。通过对比养护7天和400天的铬渣样品的Cr(VI)浸出浓度发现,相比于单独FeSO4稳定化,FeSO4/H2SO4稳定化技术具有更高的稳定化效率,且处理后的铬渣具有更好的长效稳定性。二者在稳定化效率和长效稳定性上的差异缘于矿物赋存态Cr(VI),这部分Cr(VI)由于传质限制不易与Fe(II)接触反应。FeSO4/H2SO4的联合使用可促使铬渣中矿物赋存态Cr(VI)加速释放,进而与Fe(II)充分反应。实验结果表明酸对Cr(VI)赋存矿物的溶解作用和硫酸根对矿物赋存态Cr(VI)的离子交换作用是促进铬渣中矿物赋存态Cr(VI)充分释放的主要原因。进一步结合XRD、XPS和碱消解等分析手段,阐明FeSO4/H2SO4稳定化铬渣中Cr(VI)的主要机理包括:矿物赋存态Cr(VI)的释放和Cr(VI)的还原-沉淀。(2)分别以锑冶炼行业产生的砷碱渣和硫酸生产行业产生的含砷污泥为处理对象,研究了亚铁盐对这两类高浓度含砷固废的稳定化处理的作用机理,探讨了不同来源含砷固废的不同特性对As稳定化效果和机理的影响。在砷碱渣的稳定化研究中,通过对比亚铁盐和石灰两种稳定化技术的差异,揭示了砷碱渣中As赋存形态和共存组分对稳定化处理效果的影响。实验结果表明,亚铁盐稳定技术明显优于石灰法,为达到砷碱渣中As浸出浓度低于2.5 mg/L的安全填埋标准,亚铁盐的用量仅为石灰用量的十分之一。结合XRD、XPS、As形态分析和化学平衡模型进一步论证了砷碱渣中As的赋存形态和共存的可溶性碳酸盐是影响稳定化处理效果的重要因素。砷碱渣中As的赋存形态主要为可溶性As(V),易于形成难溶的砷酸盐矿物;大量共存的可溶性碳酸盐不影响Fe(II)-As(V)矿物的生成,但会抑制Ca-As(V)矿物的生成。对含砷污泥稳定化处理的研究发现,亚铁盐稳定化处理含砷污泥的作用机理不同于其对砷碱渣的作用机理,这是因为两种含砷固废中As的赋存形态和价态均存在较大的差异。含砷污泥中As主要以钙结合态的As(III)存在。通过XRD、XPS和As形态分析等手段表明,亚铁盐稳定化含砷污泥中As的主要机理包括:(1)将可溶态As和不稳定的钙结合态As转化为稳定的铁氧化物结合态As;(2)Fe(II)活化分子氧所产生的活性氧化剂将As(III)氧化为As(V)。结合砷碱渣和含砷污泥的亚铁盐稳定化结果,说明含砷固废的固有特性对稳定化技术的适用性、稳定化效率和稳定化机理均有显著影响。(3)研究了在亚铁盐稳定化处理砷污染土的应用中,土壤介质高岭土对Fe(II)有氧氧化-稳定化As(V)的作用。对比研究发现,单独高岭土体系和单独亚铁体系均不能降低反应后滤液(<0.45μm)中As浓度,而高岭土/亚铁共存体系中滤液中As浓度可随Fe(II)氧化而逐渐降低,说明高岭土参与了有氧条件下Fe(II)与As(V)的反应。通过Zeta电位、丁达尔效应、TEM、动态光散射激光粒度测定等研究手段发现:(a)高岭土因表面带负电而对As无吸附/稳定作用;(b)无高岭土存在时,Fe(II)在有氧条件下与As(V)反应会生成纳米级的Fe(III)-As(V)胶体颗粒,粒径大小为30-300 nm,不能被0.45μm滤膜截留,极易随水迁移;(c)高岭土存在时,Fe(II)在有氧条件下与As(V)的反应产物为微米级的K-Fe(III)-As(V)大颗粒,粒径大小为3-7μm,易于沉降和过滤,显著降低As的可迁移性。进一步通过等温吸附实验、XRD、XPS等手段证实,高岭土的参与使Fe(II)与As(V)之间的均相反应转变为非均相反应,从而影响了固相反应产物的特性。通过调控高岭土含量和环境pH,并对溶液相、纳米颗粒、微米颗粒中As进行分离,进一步阐明高岭土含量和pH共同影响均相反应和非均相反应进行的相对比例,而固相反应产物中As/Fe摩尔比由pH控制。
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