农田土壤中结合态多金属的磁分离作用与清除材料研制

	农田土壤中结合态多金属的磁分离作用与清除材料研制
	贠豪
学位类型	硕士
导师	骆永明
	2021-04
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称	工学硕士
学位专业	环境工程
关键词	重金属磁性材料黏土矿物原位减量修复农田土壤
摘要	土壤是人类生存的物质基础，承载了农作物的生长，同时也给人们提供着栖息之地，但是近年来农田土壤中重金属污染的问题越来越严重。降低土壤中重金属的含量，对农产品质量安全、人居和生态环境安全等方面具有重要意义。目前，农田土壤重金属污染修复中常用的方法有固化/稳定化技术和植物修复技术等，但前者不能削减重金属总量，后者耗时较长。研发高效稳定、成本低廉、绿色环保的耕地重金属减量净化修复材料与技术是解决现有技术瓶颈的核心科学技术问题。磁性吸附材料易于嫁接高吸附容量基质且易于从体系中分离，有着独特的优势。但目前磁性吸附材料多应用于水体环境，尺寸大多为微纳米级别，无法满足土壤体系的磁分离要求，并且磁性吸附材料对土壤中重金属的作用机制、使用后的再生性和稳定性尚不明确，亟需开展相关研究。本文通过筛选黏土矿物（巯基改性凹凸棒土和沸石）吸附基质，以高分子粘合剂和磁性铁矿物交联制备出直径尺寸为毫米级别的磁性黏土颗粒（magnetic sulfhydryl modified attapulgite @ zeolite），以下简称为MSAZ，用于去除土壤中的重金属。主要研究内容有：优化原材料和制备流程，探索MSAZ的应用参数；对MSAZ材料吸附前后以及循环利用过程中进行表征和对比；在多种模拟污染和实际污染的土壤中进行对重金属的去除实验，阐明材料对土壤中重金属存在形态以及分布的影响，分析对重金属的去除机理，评估土壤性质对处理效果的影响；对MSAZ进行多次解吸再生，分析其累积去除效果和自身吸附能力在循环过程中的稳定性；在较大体量的土壤体系中开展MSAZ对重金属的去除实验，评估MSAZ在接近实际的情况下对重金属的循环累积去除能力，探讨不同条件对MSAZ吸附能力、回收率和自身吸附稳定性的影响。主要研究结果如下：（1）本研究确定了所要制备的磁性材料由磁性基体、黏土矿物和交联试剂三部分组成。筛选出的原料种类如下：磁性基体选择Fe3O4粉，黏土矿物由巯基改性凹凸棒土与沸石复合组成，交联试剂由海藻酸钠和氯化钙组成。各个部分原材料的质量比为Fe3O4粉：巯基改性凹凸棒土：沸石：海藻酸钠=2:2:1:2。采用一锅法制备，先对凹凸棒土进行巯基改性，再加入沸石、Fe3O4粉和海藻酸钠形成分散液，最后滴入到氯化钙溶液中形成球体，烘干即得磁性黏土颗粒MSAZ。（2）通过扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、振动样品磁强计分析（VSM）、傅里叶红外变换光谱分析（FT-IR）和热重/差热同步分析（TG-DSC），发现材料表面具有大量的微孔隙，证明了凹凸棒土被成功巯基改性，且材料含有丰富的羧基、羟基等官能团，具有良好的热稳定性；通过磁学分析显示材料的饱和磁化强度（Ms）为17.62 emu/g，有良好的磁响应。（3）单次施用MSAZ对模拟污染的棕壤和黑土（10.0 g）中0.43 mol/L硝酸提取态（以下称为稀硝酸提取态）Cd去除率达到75%以上，对模拟污染的红壤中稀硝酸提取态Cd去除率达到90%以上，对高背景旱地土壤和水稻土中稀硝酸提取态Cd去除率可达40%。MSAZ更适合处理有机质较少、粒径较粗、pH较低的土壤，且MSAZ主要去除酸可提取态及可还原态的重金属。通过表征分析，发现在吸附过后，MSAZ表面羟基、巯基和羧基的含量有所减少，说明这些基团参与了重金属吸附过程，离子交换和络合反应是MSAZ去除土壤中重金属的主要机制。（4）经过五次累积处理，MSAZ对水稻土（10.0 g）中稀硝酸提取态Cd的去除率达到了98.1%，对棕壤中稀硝酸提取态Cu的去除率达到了80.5%，并且五次循环利用后，MSAZ的吸附能力仍保持为初始时的85.5%，具备良好的可重复利用性。通过表征发现，重复吸附解吸后材料表面出现大型的裂缝，裂缝周边变得较为光滑，比表面积明显增加，饱和磁化强度也有所增加。（5）在较大体量土壤（1.0 kg）处理中，MSAZ对水稻土中稀硝酸提取态Cd的处理效率相比较于小体量（10.0 g）中有所下降，但是三次累积处理效率依然达到了67%。在土水比为1:2时，材料对重金属的去除效率和回收率都高于土水比为1:1时，而且材料的吸附能力更为稳定。综上所述，本研究制备的磁性黏土颗粒MSAZ对土壤中重金属的处理效果较好，同时自身磁性较强且吸附能力较为稳定，可以进行多次的回收重复利用。MSAZ具备较大的实际应用潜力，为农田土壤中重金属污染的原位减量净化修复提供了新思路、新材料和新方法。
页数	85
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30982
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	贠豪. 农田土壤中结合态多金属的磁分离作用与清除材料研制[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2021.

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