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利用土壤矿物对受污染土壤进行修复是近年来环境科学领域的一个研究热点。土壤矿物是组成土壤的基本物质,粘土矿物和金属氧化物矿物是土壤中分布最为广泛的两种矿物。多数土壤矿物具有天然自净功能,这种自净功能是天然矿物对污染物净化功能的体现。利用土壤矿物来修复污染土壤,具有成本低、无二次污染等优点,体现出土壤天然净化作用的特色,在土壤修复中展现出广阔的应用前景。
本论文主要考虑土壤矿物在污染物净化方面的环境属性,选择膨润土、高岭土这两种常见的粘土矿物以及自制的氧化锌、锰氧化物两类金属氧化物为研究对象,研究它们对三氯乙烯(Trichloroethylene,TCE)的还原脱氯降解作用。
本论文的主要研究内容及结果归纳如下:
(1)自制了两种氧化锌(ZnO(A)、ZnOq(B))及两种锰氧化物(Mn<,3>O<,4>、MnO<,2>)。
(2)研究了ZnO(A)、ZnO(B)、Mn<,3>O<,4>、MnO<,2>、膨润土、高岭土6种土壤矿物对TCE的降解作用研究。结果表明,未经任何处理的ZnO(A)、ZnO(B)、MnO<,2>、膨润土、高岭土对TCE无降解作用,而Mn<,3>O<,4>只在中性pH值下才对TCE呈现出微弱的降解作用。
(3)研究了溶解态的Fe(II)对TCE的降解作用。结果表明,反应体系的pH值到达9.0时,TCE才开始发生降解,反应符合一级动力学方程。但是TCE的降解效率较低,降解反应的速率常数(K<,obs>)和TCE去除率分别为5.60x10<-3>h<-1>、14.4%。
(4)在反应体系中加入Fe(II),研究了经Fe(II)修饰的ZnO(A)、ZnO(B)、Mn<,3>O<,4>、MnO<,2>、膨润土、高岭土6种土壤矿物对TCE的降解作用。结果表明,将Fe(II)修饰在上述矿物表面,大大提高了TCE的降解效率,反应符合一级动力学方程。降解反应受pH值和Fe(II)浓度的影响。Fe(II)浓度一定时,在pH值.5.0-9.0范围内,K<,obs>及TCE去除率随着pH值的升高而增大。维持pH值不变,在一定Fe(II)浓度范围内,K<,obs>及TCE去除率随Fe(II)浓度的增大而增大,但是Fe(II)浓度过高,TCE的降解效率反而会降低。经Fe(II)修饰后的6种土壤矿物对TCE的降解能力大小依次为MnO<,2>>Mn<,3>O<,4>>ZnO(A)>ZnO(B)>膨润土>高岭土。用经Fe(II)修饰的MnO<,2>降解TCE,当pH值为7.0、Fe(II)浓度为3 mM时,‰及TCE去除率达到最大值,分别为2.86x10<-1> h<-1>和85.7%。
(5)上述土壤矿物经Fe(II)修饰后,TCE的降解效率有了明显的提高,原因是生成了结合在土壤矿物表面的Fe(II),这类Fe(II)对TCE有着较好的降解能力。结果显示,结合在土壤矿物表面的Fe(II)的降解能力要高于溶解态的Fe(II)。XRD结果显示,结合在锰氧化物表面的Fe(II)主要是a-FeOOH、γ-FeOOH、Fe<,3>O<,4>等含铁矿物。
(6)实验过程中检测到了cis-DCE、trans-DCE两种氯代产物,说明TCE发生降解经过了还原脱氯途径。结果显示,发生降解的TCE大部分转化成了非氯代降解产物。如,经Fe(II)修饰的MnO<,2>降解TCE过程中,生成的非氯代降解产物占产物的85.4%-88.8%。
本论文运用矿物.水界面反应动力学理论,通过土壤矿物与TCE之间的还原脱氯降解动力学实验,从本质上认识了土壤矿物与TCE间的界面反应机理,为实际的污染土壤修复提供了理论依据。