功能化活性炭對固相基質(zhì)重金屬的增強穩(wěn)定作用及其機理研究.pdf

1、重金屬污染物來源廣泛，一般不能被生物降解，殘毒時間長，參與食物鏈循環(huán)并最終在生物體內(nèi)積累，破壞生物體正常生理代謝活動，對生態(tài)環(huán)境、食品安全、人類健康構(gòu)成嚴重威脅。含重金屬固體廢物的處置技術(shù)中，重金屬的穩(wěn)定/固定化方法，由于具有經(jīng)濟有效、處理時間短、適用范圍廣、易操作和可現(xiàn)場應(yīng)用等優(yōu)點，已大量應(yīng)用于含重金屬的底泥、污泥、沉積物、工業(yè)廢渣、飛灰的穩(wěn)定/固定與重金屬污染土壤修復(fù)等，但對于高效、經(jīng)濟的添加劑仍在不斷探索中?；钚蕴渴菍χ亟饘佥^為有

2、效的吸附劑，目前關(guān)于活性炭吸附的研究工作多針對液相和氣相體系，將活性炭用于穩(wěn)定固態(tài)基質(zhì)中重金屬，尤其針對通過多相界面相互作用分析重金屬的穩(wěn)定機理研究極為鮮見。
　　本論文基于活性炭表面化學與重金屬離子之間的多相界面相互作用研究，以含鉻工業(yè)廢渣及鉛污染土壤兩種重金屬污染固態(tài)物系為對象，探討活性炭對重金屬的穩(wěn)定作用機理。
　　采用硝酸氧化、氨氣高溫處理、賦硫等表面功能化方法制備含O、N、S官能團活性炭（分別表示為OAC、NAC、

3、SAC），利用N2吸附、Boehm滴定、元素分析、FTIR、XPS等表征測試對活性炭比表面積、孔容孔徑和表面化學等性質(zhì)進行了分析。結(jié)果表明，活性炭表面功能化獲得羧基、內(nèi)酯基和酚羥基等含氧官能團，胺基、類吡啶等含氮官能團，硫醚、噻吩、亞硫?；?、磺酸基和亞硫酸鹽等含硫官能團，為研究活性炭表面化學性質(zhì)對活性炭吸附性能的影響提供了基礎(chǔ)。
　　通過靜態(tài)溶浸、動態(tài)淋濾和浸出毒性實驗，研究工業(yè)鉻渣中的鉻和鉛污染土壤中鉛的浸出規(guī)律，在模擬淹水浸泡

4、和自然降雨條件下探討活性炭對穩(wěn)定鉻渣和鉛污染土壤的有效性。結(jié)果表明，浸提劑種類和浸提劑pH值對浸出過程影響較大，這與重金屬在液相中的水合離子價態(tài)和固相中存在形態(tài)等多相界面行為相關(guān)。以一階指數(shù)衰減函數(shù)模擬鉻渣在動態(tài)淋濾過程中鉻的浸出濃度隨時間變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鉻渣在動態(tài)淋濾過程中鉻浸出值較靜態(tài)溶浸和浸出毒性測試條件下的浸出值為高，因此對于固相重金屬浸出毒性的評估需綜合不同測試條件考慮。鉻渣和土壤中添加活性炭能降低鉻和鉛的浸出濃度，尤以O(shè)AC

5、穩(wěn)定效果較好，Cr浸出濃度最高可降低80％。
　　為進一步研究重金屬的生物有效性，以空白背景土壤為對照，在含有 Cr和Pb的土壤中分別添加OAC和氨改性生物炭，以辣椒為指示植物進行盆栽實驗，分析根莖葉果等各器官生物量及其中的重金屬含量，發(fā)現(xiàn) OAC體現(xiàn)出更強的降低土壤中Cr、Pb的遷移的能力，表明OAC的含氧官能團對重金屬具有更強結(jié)合力。利用XPS技術(shù)對辣椒根部Pb與Cr的形態(tài)進行分析，采用BCR浸提法測定土壤中Pb、Cr的賦存形

6、態(tài)，探索了土壤、植物根際和活性炭多相界面的相互作用。
　　采用改進Tessier連續(xù)浸提法分析吸附于商品活性炭（AC）、OAC、NAC和SAC等活性炭上的Cr(III)、Cr(VI)和Pb(II)等多種重金屬離子形態(tài)，結(jié)果表明重金屬主要以最不易遷移的殘渣態(tài)存在于活性炭上，殘渣態(tài)含量達70%以上。而OAC、NAC和SAC的可提取態(tài)重金屬含量均較AC有所降低，表明功能化活性炭表面官能團與重金屬離子之間的化學作用可以增強其吸附穩(wěn)定性。<

7、br>　　研究了Cr(III)、Cr(VI)和Pb(II)三種重金屬離子在AC、OAC、NAC和SAC四種活性炭試樣上的吸附平衡，并對吸附過程進行了動力學和熱力學分析，應(yīng)用Langmuir、Freundlich、Dubinin–Radushkevich和Temkin等溫模型以及擬二級動力學方程描述吸附行為。通過研究多相體系界面之間吸附與脫附、溶解與沉淀、遷移與穩(wěn)定、氧化與還原等相互作用過程，結(jié)合XPS分析技術(shù)對重金屬離子吸附前、后活性炭