聚環(huán)氧琥珀酸對(duì)污泥中重金屬的萃取過(guò)程及機(jī)理研究.pdf

1、污泥中重金屬的污染是影響其資源化利用的關(guān)鍵問(wèn)題，如何應(yīng)用綠色化學(xué)的理論解決土壤及污泥中的重金屬污染問(wèn)題是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50478103)的支持下，根據(jù)國(guó)際上綠色化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)城市工業(yè)廢水污泥中重金屬含量較高的特征，以上海市桃浦污水廠污泥為對(duì)象，重點(diǎn)研究了易生物降解的聚環(huán)氧琥珀酸(Poly-epoxy-succinic Acid，簡(jiǎn)稱PESA)對(duì)污泥中重金屬的分離過(guò)程，并從溶液配

2、位化學(xué)的角度研究了聚環(huán)氧琥珀酸與典型重金屬離子的相互作用機(jī)理，提出了用環(huán)境友好的聚環(huán)氧琥珀酸治理城市污泥重金屬污染的修復(fù)技術(shù)。并針對(duì)礦區(qū)附近土壤普遍受重金屬污染的環(huán)境現(xiàn)狀，以福建省三明地區(qū)實(shí)際受重金屬污染土壤為對(duì)象，研究了污染土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。論文可以為受重金屬污染的污泥或土壤的治理及修復(fù)提供理論指導(dǎo)和實(shí)際技術(shù)支持。論文主要分為四部分：(Ⅰ)PESA(聚環(huán)氧琥珀酸)與典型重金屬離子相互作用機(jī)理的研究；(Ⅱ)PES

3、A對(duì)污泥中重金屬的分離過(guò)程研究；(Ⅲ)EDDS(S，S-ethylenediaminedisuccinic Acid，乙二胺二琥珀酸)、EDTA(Ethylene Diamine TetraaceticAcid，乙二胺四乙酸)與PESA對(duì)重金屬分離作用的比較研究；(Ⅳ)污染土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。第一部分：聚環(huán)氧琥珀酸與典型重金屬離子相互作用機(jī)理的研究利用pH電位滴定和先進(jìn)的BEST數(shù)據(jù)處理程序，研究了PESA與典型重

4、金屬離子Zn2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+、Cu2+之間的配位化學(xué)作用，得到了PESA的酸離解常數(shù)、相應(yīng)配合物的穩(wěn)定常數(shù)及不同pH下各種配合物的形態(tài)分布圖。研究結(jié)果表明：(1)將PESA簡(jiǎn)化為具有五個(gè)結(jié)構(gòu)單元的二級(jí)電離模型的誤差σ較小，且模擬滴定曲線與實(shí)驗(yàn)滴定曲線的符合程度較好，所得的pKa1=4.68、pKa2=4.92，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的配位化學(xué)模型比較合理，結(jié)果準(zhǔn)確。表明通過(guò)合理配位化學(xué)模型的建立來(lái)處理PE

5、SA的酸離解及其與重金屬離子間的配位化學(xué)作用是可行的。(2)從溶液配位化學(xué)角度講，PESA與重金屬離子有較強(qiáng)的結(jié)合能力。按形成的主要配合物種ML來(lái)看，Zn2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+、Cu2+與PESA 配位能力大小的順序?yàn)镃u2+＞Cr3+＞Cd2+＞Zn2+＞Ni2+＞Pb2+。第二部分：聚環(huán)氧琥珀酸對(duì)污泥中重金屬的分離過(guò)程研究以上海市桃浦污水廠污泥為研究對(duì)象，研究了聚環(huán)氧琥珀酸對(duì)污泥中重金屬的萃取作用，

6、重點(diǎn)考察了萃取體系pH值、萃取劑用量、萃取時(shí)間、萃取溫度、重金屬的存在形態(tài)、添加H2O2、添加H3PO4等條件對(duì)重金屬萃取的影響。研究發(fā)現(xiàn)： (1)PESA對(duì)污泥中的重金屬具有較好的萃取效果，當(dāng)PESA與污泥中重金屬總量的摩爾比為2∶1且pH=4的條件下，PESA對(duì)污泥中目標(biāo)重金屬的綜合萃取效果最好，此時(shí)PESA對(duì)污泥中各重金屬的萃取效率由大到小的順序?yàn)椋篊d＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr，對(duì)應(yīng)的萃取率分別為78％、73％、

7、72％、60％、54％、36％。(2)重金屬與PESA配合物的穩(wěn)定性、PESA用量、萃取體系pH值、萃取時(shí)間、萃取溫度、重金屬的存在形態(tài)等是影響污泥中重金屬萃取的重要因素。BCR(European Community Bureau of Reference，簡(jiǎn)稱BCR)連續(xù)提取法表明，PESA萃取污泥中的重金屬主要是從水溶態(tài)、酸溶態(tài)、可還原態(tài)三種形態(tài)中提取，可氧化態(tài)可實(shí)現(xiàn)部分萃取。(3)H2O2對(duì)污泥中的Ni、Cu、Zn有較

8、好的分離作用，H2O2和PESA復(fù)合體系對(duì)污泥中Cu的分離有明顯的促進(jìn)作用。(4)低濃度的H3PO4對(duì)污泥中的重金屬Zn、Cd、Ni具有很好的分離作用，H3PO4與PESA復(fù)合體系對(duì)Pb的分離有明顯的促進(jìn)作用。第三部分：EDDS、EDTA與PESA對(duì)重金屬分離作用的比較研究以上海市桃浦污水廠污泥為實(shí)驗(yàn)材料，在萃取劑與重金屬總量的摩爾比為1∶1和10∶1以及調(diào)節(jié)萃取體系pH值的條件下，比較研究了EDDS、EDTA與PESA對(duì)重

9、金屬的分離作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)EDTA在實(shí)驗(yàn)pH值范圍內(nèi)對(duì)多數(shù)目標(biāo)重金屬如Cd、Zn、Pb、Cu、Ni具有較好的萃取作用：當(dāng)EDTA與重金屬總量的摩爾比為10∶1時(shí)，EDTA對(duì)污泥中重金屬萃取效率由大到小的順序?yàn)镃d＞Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr。(2)EDDS適合在中性偏堿性條件下使用，對(duì)Cu、Cd、Zn、Pb、Ni具有較好的萃取作用；當(dāng)EDDS與重金屬總量的摩爾比為10∶1時(shí)，EDDS對(duì)污泥中重金屬萃取效率由大到小的

10、順序?yàn)镃u＞Cd＞Zn＞Pb＞Ni＞Cr。(3)PESA在偏酸性條件下對(duì)Cd、Zn、Pb、Ni、Cu、Cr具有良好的萃取作用；當(dāng)PESA與重金屬總量的摩爾比為10∶1時(shí)，PESA對(duì)污泥中重金屬萃取效率由大到小的順序?yàn)镃d＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr。在pH=4且PESA與污泥中重金屬總量的摩爾比為10∶1時(shí)，PESA對(duì)Cd、Zn和Pb萃取效率可與EDTA和EDDS相當(dāng)，對(duì)Cr的萃取效率高于EDTA和EDDS。(4)對(duì)Cr的萃

11、取，PESA優(yōu)于EDTA和EDDS；對(duì)Cu的萃取，EDTA和EDDS優(yōu)于PESA；對(duì)Pb的萃取，EDTA優(yōu)于EDDS和PESA。(5)相對(duì)于EDTA的難生物降解、EDDS 含氮有引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的潛在威脅且價(jià)格較昂貴，PESA由于具有環(huán)境友好、易生物降解、對(duì)重金屬螯合性能好的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的環(huán)境友好替代萃取劑。第四部分：污染土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究以福建三明地區(qū)實(shí)際受重金屬污染的土壤樣品為研究對(duì)象，通過(guò)模擬

12、酸雨淋溶土柱的試驗(yàn)方法，研究了酸雨作用下污染土壤中重金屬元素的溶出及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究結(jié)果表明： (1)隨著酸雨pH值的降低，污染土壤淋濾液的電導(dǎo)呈遞增變化，而濾液pH值相應(yīng)降低；隨著淋溶量的增加，淋濾液的電導(dǎo)逐漸下降。(2)模擬酸雨作用于該受重金屬污染土壤時(shí)，污染土壤中不同重金屬呈現(xiàn)不同的溶出規(guī)律。淋濾液中鋅、鎳、銅、鉻和鉛的含量均隨模擬酸雨pH值的降低而增加，但鋅、鎳和銅的釋放過(guò)程可分為快速釋放和準(zhǔn)穩(wěn)定兩個(gè)階段，鉻和

13、鉛的釋放過(guò)程則分為快速釋放和慢速釋放兩個(gè)階段。(3)相同酸雨強(qiáng)度下，該污染土壤中重金屬累積釋放量由大到小的順序?yàn)閆n＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb。(4)不同重金屬在酸雨作用下向下層土壤遷移的規(guī)律不同。在pH=3.6的酸雨作用下，污染土壤中的Zn、Pb、Cu、Cr、Ni都具有一定的向下層土壤遷移性，Zn、Ni的遷移性較強(qiáng)，而Cu、Pb、Cr的遷移性相對(duì)較弱。相同酸雨強(qiáng)度下，污染土壤中各重金屬下層土壤的遷移能力由大到小的順序?yàn)閆n＞N