CN110304706A - 一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位阻隔重金属污染的土壤‑矿物复合材料及其制备方法和应用。所述的土壤‑矿物复合材料采用土壤、矿物材料和水制备而成,其中,土壤和矿物材料的重量配比为6~9:1~4,水的用量为土壤和矿物材料重量之和的1倍以上;所述的矿物材料为硅酸盐矿物和/或多孔结构矿物。本发明所述复合材料的制备方法为:将配料量的土壤和矿物材料混合均匀,再加入配料量的水,经浸渍后即得。本发明所述复合材料成本低、环境兼容性高、不易板结堵塞,运行效率高且修复效果好。

Description

一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及重金属污染的修复材料,具体涉及一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
可渗透反应墙,是一种为达到某种环境污染治理目标而将特定反应介质安装在地面以下的污染治理***,它阻断污染带,将污染物转化为危害性较小的化合物或将其固定在反应介质中,从而使污染物转化为环境可以接受的形式。透水活性反应介质是可渗透反应墙的核心,墙体运行的长效性一直影响着该技术的推广应用,主要的影响因素是反应介质的失活,及***渗透性下降甚至发生阻塞引起地下水绕流和短流现象,破坏地下水的流动性。
为解决墙体活性介质材料利用效率低、易板结、堵塞的问题,有研究提出纳米铁、双/多金属***、改性制粒等方法,为反应介质的利用效率和使用寿命提供理论指导。如公开号为CN109319875A的发明专利,公开了一种地下水复合重金属污染修复剂,具体是选取纤维素、活性炭、腐植酸、海泡石和聚糖树脂五种原料,并对其进行粉碎、筛选,然后添加水,混合均匀后除去多余水份,即得成品。该发明选用五种对重金属离子吸附性较强的原料相互配合以提高所得修复剂的离子交换能力、络合作用、吸附能力及界面活性等,从而取得较好的效果。但是,该发明中采用的聚糖树脂等材料为化学改性材料,而修复材料由于其是置于阻隔墙体内并安置地面以下的,因此它也成为包气带或含水层的一部分,是地表水与地下水重要联系通道,而目前尚缺乏外源化学物质对地下圈层环境的双向影响效应的研究,在阻隔目标污染物的同时是否带来潜在的次生污染等不明确,也就是说聚糖树脂等外源化学物质的生态毒性、持久性、降解性、累积性、迁移性等信息不明确,对地下圈层环境的双向影响效应的研究目前尚未见***评述,这些都将成为阻碍该类技术进一步发展和推广的限制条件。因此研发天然高效、廉价易得、环境兼容、可持续有效的活性介质材料是地下水原位修复技术的追求目标。
土壤是岩石风化的最终产物,是含疏松矿物质和有机质的多孔介质,有着良好的透水性和通气性,土壤呈地带性分布,是地下环境的天然保护屏障,但是因地制宜,就地取材,以自然土壤、天然矿物为原料,采用原位水浸渍法制备土壤-矿物复合材料,用于原位阻隔地下水重金属污染的研究目前尚未见有相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供现有技术中活性介质材料存在的改性成本较高、工艺较复杂、环境兼容性不高、运行易板结堵塞的不足,提供一种成本低、环境兼容性高、不易板结堵塞,运行效率高且修复效果好的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,它采用土壤、矿物材料和水制备而成,其中,
土壤和矿物材料的重量配比为6~9:1~4,水的用量为土壤和矿物材料重量之和的1倍以上;
所述的矿物材料为硅酸盐矿物和/或多孔结构矿物。
本发明所述的土壤-矿物复合材料中,所述水的用量进一步优选为土壤和矿物材料重量之和的2~5倍。
本发明所述的土壤-矿物复合材料中,所述的硅酸盐矿物以及多孔结构矿物可以是现有技术中的常规选择,优选的,硅酸盐矿物可以是选自膨润土、高岭石、蛭石、凹凸棒、海泡石和硅灰石中的一种或两种以上的组合;多孔结构矿物则优选为沸石和/或硅藻土。在具体应用时,矿物材料的选择可以是上述各材料材料以任意配比的组合。
本发明所述的土壤-矿物复合材料中,所述土壤和矿物材料的粒度通常都是微米级,但是,本申请人在试验中发现,当土壤的粒度为150~1000μm、矿物材料的粒度为75~300μm时,所得土壤-矿物复合材料对维持阻隔墙体的渗透性具有更好的效果。本申请中,所述土壤是指风干后的土壤,进一步指含水率≤10%的土壤,更进一步指含水率在3~10%的土壤。
本发明还提供上述原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料的制备方法,具体为:先按配方称取各原料,然后将配料量的土壤和矿物材料混合均匀,再加入配料量的水,经浸渍后即得。
上述制备方法中,所述浸渍的时间通常≥10h,优选为12~48h。
本发明进一步包括上述原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料在修复重金属污染的地下水中的应用。
与现有技术相比,本发明的特点在于:
1、本发明利用自然土壤作为骨架材料,因地制宜,可就地取材;再搭配天然矿物材料(层/链状硅酸盐矿物和/或多孔结构矿物),原材料廉价易得、绿色生态、环境兼容,无次生污染,潜在的生态风险小;
2、本发明利用土壤固相骨架内孔隙体系,以土壤中天然有机质中的腐殖质为胶结剂,在加入矿物材料后采用原位水浸渍法以制备得到土壤-矿物复合材料,土壤和矿物材料间协同增强效应,从而维持阻隔墙体的渗透性和高效利用率,同时保证修复效果;
3、本发明所述方法工艺简单,成本低,可污染场地现制现用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。
以下各实施例中所述的份数为重量份。
实施例1:
取某地土壤(A层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径1000μm筛,收集筛下物,取筛下物90份与10份粒径为750μm的膨润土混合均匀,所得混合物按1:3的固液比加水浸渍24h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
实施例2:
取某地土壤(A层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径150μm筛,收集筛下物,取筛下物90份与10份粒径为150μm的膨润土混合均匀,所得混合物按1:3的固液比加水浸渍24h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
实施例3:
取某地土壤(B层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径1000μm筛,收集筛下物,取筛下物60份与20份粒径为75μm的膨润土以及20份粒径为150μm的斜发沸石混合均匀,所得混合物按1:4的固液比加水浸渍48h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
实施例4:
取某地土壤(B层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径150μm筛,收集筛下物,取筛下物60份与20份粒径为75μm的膨润土以及20份粒径为150μm的斜发沸石混合均匀,所得混合物按1:4的固液比加水浸渍48h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
实施例5:
取某地土壤(B层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径150μm筛,收集筛下物,取筛下物60份与20份粒径为75μm的海泡石以及20份粒径为150μm的红辉沸石混合均匀,所得混合物按1:4的固液比加水浸渍48h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
实施例6:
取某地土壤(A层),自然风干至含水率为8%,拣出杂质,机械粉碎至全部过孔径150μm筛,收集筛下物,取筛下物18份与2份粒径为75μm的膨润土混合均匀,所得混合物按1:3的固液比加水浸渍24h,即得到本发明所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料。
对比例1:
修复材料为实施例6中收集的土壤筛下物20份。
对比例2:
修复材料为实施例6中收集的土壤筛下物16份以及4份粒径为75μm的膨润土的混合物。
试验例1:
1)采用模拟雨水土柱淋溶试验,土柱为内径3cm,高为50cm玻璃柱,根据某地年均降雨量1535.6mm,及收集的雨水样品中pH值,配制pH值为6.08的模拟雨水1L,以雨水淋溶方式对某铜锌多金属矿山尾矿样品进行浸出试验,得模拟尾矿渗漏水,测定渗漏水中铜、锌、镉的含量;
2)将石英砂、修复材料(按实施例1-5中将土壤与矿物材料混合所得混合物)、石英砂依次分三层装柱(修复材料置于两层石英砂中间),石英砂层高度为2cm,然后按各实施例工艺条件进行水浸渍复合,得到土壤-矿物复合材料的模拟阻隔墙体;
3)将模拟尾矿渗漏水,垂向流经阻隔墙体,测定流经阻隔墙体后水体中重金属的含量考察阻隔墙体重金属脱除效果,结果如下述表1所示。
表1:
试验例2:
采用室内模拟土柱淋滤试验方法,土柱为内径3cm,高为50cm玻璃柱,首先将石英砂、修复材料(按实施例1-5中将土壤与矿物材料混合所得混合物)、石英砂依次分三层装柱(修复材料置于两层石英砂中间),石英砂层高度为2cm,按实施例工艺条件进行水浸渍复合,得到土壤-矿物复合材料的模拟阻隔墙体;根据某地年均降雨量1535.6mm,及收集的雨水样品中pH值,配制pH值为6.08的受铅、锌、镉重金属污染地下水1L,垂向流经阻隔墙体(分高浓度和低浓度分别进行试验),测定流经阻隔墙体后水体中重金属的含量,结果如下述表2所示。
表2:
试验例3:本发明所述复合材料的重金属脱除效果实验及渗透性实验
采用室内模拟土柱淋滤试验方法,土柱规格为内径3cm,高为50cm玻璃柱,首先将石英砂、修复材料(按实施例6以及对比例2中将土壤与矿物材料混合所得混合物,或者是对比例1中单独的土壤)、石英砂依次分三层装柱(修复材料置于两层石英砂中间),石英砂层高度为2cm,按固液比为1:3进行水浸渍24h,得到土壤-矿物复合材料的模拟阻隔墙体,分别进行以下两组试验:
1、将模拟受重金属污染地下水300mL(铅、锌、镉浓度均为100mg/L),垂向流经阻隔墙体,测定流经阻隔墙体后水体中重金属的含量考察阻隔墙体重金属脱除效果,结果如下述表3所示。
2、模拟天然降雨间歇性通水考察阻隔墙体的渗透性,结果如下述表4所示。
表3:
表4:

Claims (10)

1.一种原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:它采用土壤、矿物材料和水制备而成,其中,
土壤和矿物材料的重量配比为6~9:1~4,水的用量为土壤和矿物材料重量之和的1倍以上;
所述的矿物材料为硅酸盐矿物和/或多孔结构矿物。
2.根据权利要求1所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:所述水的用量为土壤和矿物材料重量之和的2~5倍。
3.根据权利要求1所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:所述的硅酸盐矿物为选自膨润土、高岭石、蛭石、凹凸棒、海泡石和硅灰石中的一种或两种以上的组合;所述的多孔结构矿物为沸石和/或硅藻土。
4.根据权利要求1所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:所述土壤的粒度为微米级。
5.根据权利要求1所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:所述矿物材料的粒度为微米级。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料,其特征在于:所述土壤的粒度为150~1000μm,所述矿物材料的粒度为75~300μm。
7.权利要求1所述原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料的制备方法,其特征在于:先按配方称取各原料,然后将配料量的土壤和矿物材料混合均匀,再加入配料量的水,经浸渍后即得。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:浸渍的时间≥10h。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:浸渍的时间为12~48h。
10.权利要求1所述原位阻隔重金属污染的土壤-矿物复合材料在修复重金属污染的地下水中的应用。
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