粘土矿物对重金属镉的吸附研究.pdf

S e r i e s NO． 3 3 6 J u n e 2 0 0 4 金 砖 M TAL M I NE 总 第3 3 6期 2 0 0 4 年第6期 粘 土矿 物对 重金 属 镉 的吸 附研 究 * 胡振琪 杨秀红 高爱林 中国矿业大学 北京校 区 摘要通过等温吸附试验， 研究了粘土矿物膨润土、 海泡石、 凹凸棒石对 C d 2 的吸附情况， 并与土壤对 C d 的吸附情况进行了对比。试验表明， 几种粘土矿物对 、 d 有很好的吸附作用 ， 可用于重金属污染土壤的治理。p H 值足影响吸附效果的一个重要因素。 关键词 粘土矿物镉吸附作用 污染土壤 Ad s o r p t i o n o f He a v y M e t a l Ca d mi u m W i t h Cl a y M i n e r a l s Hu Z h e n q i Ya n g Xi u h o n g Ga o Ai l i n C h i n a 2 z ， r ，Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g Ab s t r a c t Th e a d s o r p t i o n o f c a d mi u m io n s i n c l a y mi n e r a l s s u c h a s b e n t o n i t e ，s e p i o l i t e a n d a t t a p u l g i t e wa s s t u d i e d b y i s o t h e r ma l a d s o r p t i o n t e s t a n d c o mp a r e d wi t h t h a t i n i l ．Th e r e s u l t s s h o we d t h a t c l a y mi n e r a l s h a v e a h i g h a f f i n i t y f r c a d mi u m i o n s a n d c a n b e u s e d t o r e n ] e d y h e a v y me t a ls n t a mi n a t ed i l ．p H v a l u e i s a n i mp o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t h e a d 一 r p t i o n e f f e c t ． Ke y wo r d s Cl a y mi n e r a l s ，C a d mi u m ，Ad s o r p t i o n．Co n t a mi n a t e d,s o i l s 土壤是人类赖以生存发展的生产资料。我国人 多地少、 土地资源短缺、 人地矛盾突出。而工农业生 产和矿产品的开发， 还使大量土地退化或污染， 进一 步加剧了土壤资源的短缺。我国现有国营矿山企业 8 O O 0 多个， 个体矿山达2 3 万多个l l 。由于种种条件 的限制， 国内许多矿山废弃物未经任何处理就任意排 放与堆置， 造成了较为严重的环境污染问题。据统 计 ， 我国约有 1 万多 h n 12 土地受镉的污染， 每年仅生 产镉米就达 5 万 t 以上， 而每年因污染而损失的粮食 约 1 2 0 0万 t ， 严重影响了我 国的粮食生产和食物安 全l 2 。江西大余县污灌引起的 污染面积达 5 5 0 0 h m2 ，青岛市 2 ． 7 ％～ 9 ％的农田土壤分别受到 、 H g 、 C d 、 A s 、 I 1 ] 、 C u 、 Z n 等 7 种重金属的轻污染， 沈阳张 士污灌区多年使用沈阳市重工业部门排放的污水灌 溉， 有 2 5 3 3 h n 12 土地遭受镉的污染， 其中严重污染 占l 3 ％ 一 。污水灌区人尿中镉的含量增高， 癌症、 风 湿性关节炎、 肾炎等平均患病率均高于清水灌区。随 着我国人民生活水平的提高以及对生活质量和绿色 蔬菜与作物要求的提高， 越来越引起人们对植物生长 基质土壤环境状况的重视， 所以， 重金属污染土 壤修复已成为我国一项十分紧迫的任务l4 J 。 在重金属污染土壤修复技术中， 原位修复是一 种低成本的修复技术 ， 其中利用粘土矿物钝化土壤 中的重金属是一种有效的技术。一些粘土矿物具有 较大的内、 外表面和较强的吸附能力 ， 可以与土壤中 的重金属发生离子交换作用， 固定土壤中的重金属， 防止重金属在土壤中迁移， 进入植物体内 一 。本项 目进行了粘土矿物膨润土 、 海泡石 、 凹凸棒石对有毒 重金属 C d的吸附研究 ， 并与土壤的吸附能力进行 了对比， 为利用粘土矿物原位修复重金属污染土壤 提供了理论基础 。 1 实验材料与方法 土壤样品取 自北京市海淀区大田土， 取样深度 为 0 ～ 2 0 c m， 土壤类型为砂壤土。膨润土产地为河 北宣化 经钠化改性加工而成 ， 为钠基膨润土 ， 海泡 石产地为河南南阳， 凹凸棒石产地为江苏盱眙， 均为 商用粘土矿物。土壤与粘土矿物的p H值见表 1 。 表 1 土壤与粘土矿物的 p n值 *国家 8 6 3 项 目 2 0 0 3 A A 3 2 2 0 4 0 和教育部博士点基金资助项 目 2 0 0 2 0 2 9 0 0 1 4 胡振琪， 中国矿业大学 北京校区 土地复垦与生态重建研究所． 所 长， 教授 ， 博士生导师， 1 0 0 0 8 3北京市海淀区学院路丁 1 1 号。 5 3 维普资讯 第 3 3 6期 垒 砖 2 0 0 4年第 6期 采用室内吸附实验。称取钠基膨润土、 海泡石 、 凹凸棒石和土壤各 1 ． 0 0 0 g 分别置于6 0 mL带盖塑 料瓶 中， 加入 已调节好 p H值的、 由化学纯试剂 C d C I， 2 ． 5 H 2 O 配成的含 离子溶液 2 0 mL ， 使水 土比为2 0 1 。在恒温振荡器上振荡 2 4 h 后静置 2 4 h 。将上清液倒入 2 0 m L塑料离心管中， 在4 0 0 0 r ／ rai n下离心 3 0 mi n ， 然后过 滤 ， 测 定吸附平衡 液 的 p H值 ， 稀释并用原子吸收分光光度计 A A S 测定稀 释液的 C d 2 浓度， 计算吸附量。每一处理重复 3 次。 主要实验设备有常州国华电器有限公司生产的 S H A C水浴恒温振荡器 ， 上海安亭科学仪器厂生 产的T D L一 5 0 B台式离心机、 电子天平， 上海精密 科学仪器有限公司生产的 p H S 一2 5型 p H计， 13 本 C／ m g L a 土壤 C／ 1 I1g L b 钠基 膨润 土 Hit a c h i 公司生产的 Z 一 6 0 0原子吸收分光光度计。 2 试验结果与讨论 2 ． 1 起始浓度对吸附量的影响 起始溶液采用 p H值为 6 ． 0 、 C A 浓度为 5 0 ～ 6 0 0 m g ／ L的系列液， 以平衡液浓度 C和平衡吸附 量Q作图， 结果见图 1 。由图 1 可见， 随着镉浓度的 增大， 土壤及粘土矿物的吸附量增大， 这可能是当重 金属离子浓度增大时， 它们与土壤和粘土矿物表面 碰撞的机会也在增多， 因而有较大的吸附机会， 造成 土壤和粘土矿物对重金属的吸附量增大。同时可以 看出， 粘土矿物因具有较大的阳离子交换能力和比 表面积， 因而对镉的吸附量比土壤要大得多。粘土 矿物和土壤对镉的吸附量的大小顺序为 凹凸棒石 钠基膨润土海泡石土壤。 6 5 4 3 ＼ q 2 1 C／ ta g L c 海 泡石 O ． O O ．5 1 ．O I ．5 2 ． 0 2 ． 5 3 0 3 5 C ／ m g ． L d 凹凸棒 石 图 1 土壤及粘土矿物对 的吸附等温线 土壤及粘土矿物在不同起始浓度 C 0 下对 子与O H一 形成羟基水合金属离子而吸附于试样表 的吸附率见图 2 。由图 2可见， 随着吸附液初始镉 面， 使得水溶液中的 O H一 浓度值下降， 水溶液的 p H 浓度的增大， 土壤及粘土矿物对镉的吸附率降低， 其 值降低 。 中膨润土和凹凸棒石的吸附率降低最慢， 海泡石次 之， 而土壤的吸附率则迅速降低。由此可见， 在污染 浓度高的地区， 使用客土稀释法降低镉的毒害效果 不好 ， 而使用粘土矿物治理镉污染土壤具有明显的 优越性。 图 2 土壤及粘土矿物对不同起始浓度 c A2 的吸附率 _一土壤； ； 一钠基膨润土； v一 海泡石； ▲一凹凸棒石 粘土矿物和土壤吸附 后， 平衡液的 p H值 变化情况见图 3 。由图 3 可见， 随着 C d 2 浓度的增 大， 平衡液 p H值逐渐降低， 这可能是由于重金属离 5 4 图 3 粘土矿物吸附 c d 2 后对溶液 p H值的影响 _一 土壤； ； 一 钠基膨润土； v一海泡石； ▲一凹凸棒石 另外， 对图 1 的实验数据采用 L a n g m u ir 的等温 式直线式处理， 公式为 Q K B ’B ’ 式中，Q是平衡吸附量 ， m g ／ g ； C是平衡液浓度， m g ／ L ； B是饱和吸附量， m g ／ g ； K是吸附常数 。 处理后结果见图 4 。由图 4可以看出， 土壤和 粘土矿物的吸附曲线符合 L a n g mu i r 方程， 并可计算 维普资讯 胡振琪等 粘土矿物对重金属镉的吸附研究 2 0 0 4 年第6期 出土壤及粘土矿物的 L a n g mu i r 吸附常数和相关系 数 r， 结果列于表 2 。由表 2可见， 粘土矿物和土壤 1 6 0 1 2 O 。 8 0 4 O 0 的饱和吸附量及吸附常数的大小顺序为 凹凸棒石 钠基膨润土 海泡石 土壤。 b 钠 基膨 润 l C 海 泡 石 d 凹 n棒石 图 4 L a n g mr 拟合土壤及粘土矿物对 C d 2 的吸附等温线 表2 土壤和粘土矿物的L a n g m u ir 吸附常数与相关系 数 响吸附作用的主要因素， 吸附量总体上随 p H值的 2 ， 2 起始 p H值对吸附量的影响 起始溶液采用 C A 2 浓度为 4 0 0 mg ／ L ， p H值分 别为 4 、 5 、 6 、 7 、 8 、 9的系列液， 吸附结果见图 5 。 图5 不同起始 p H值下土壤及粘土矿物对 C d 2 的吸附量 一 土壤 ； ； 一 钠基膨润土； v一 海泡石； ▲一凹凸棒石 由图 5 可见， 随着 p H值的增大， 土壤及粘土矿 物对 C A 2 的吸附量总体上在增大， 但土壤和膨润土 与海泡石和凹凸棒石的吸附曲线不同。海泡石和凹 凸棒石随着 p H值的增大， 其吸附量一直增加， 没有 出现拐点。而土壤及膨润土在 p H值等于 7处降 低， 都 出现 1 个拐点， 当 p H值 8时， 吸附量又增 大， 这是由于在酸性条件下 p H海 泡石 土壤 。在 污 染浓度高的地区， 使用粘土矿物治理镉污染土壤具 有明显的优越性 。 参考文献 1 白中科， 赵景逵， 朱荫湄． 试论矿区生态重建． 自然资源学报， 1 9 9 9 1 3 5 ～ 4 1 2 陈怀满． 土壤 一植物 系统中的重金属污染． 北京 科技出版社， 1 9 9 6 3 秦淑琴． 治理土壤重金属污染的方法概述． 新疆环境保护， 1 9 9 8 1 1 9 ～ 2 3 4 胡振琪 ， 凌海明． 金属矿山污染土地修复技术及实例研究． 金属矿 山 ． 2 0 0 3 6 5 3 ～ 5 6 5 杨秀红， 胡振琪， 张迎春． 利用工业矿物治理重金属污染土壤的探 讨． 金属矿山， 2 0 0 3 3 5 2 ～ 5 5 6 张淼， 李亚青， 王敏新． 黄土体对重金属 C d 、 P b 、 Z n 、 C u 吸附试 验研究． 西北水资源与水工程， 1 9 9 6 2 3 5 ～4 0 7 孙胜龙， 赵晓明． 钠 、 铝改造型膨润土对溶液 中 Ⅵ 吸附及其 机理研究． 水处理技术， 1 9 9 9 5 3 4 4 ～ 3 4 9 8 孙胜龙， 龙振永， 蔡保丰． 非金属矿物修复环境机理研究现状． 地 球科学进展， 1 9 9 9 5 4 7 5 ～4 8 l 收稿 日期2 0 0 4 0 2 0 4 5 5 ∞ ∞ 咖 壤 g 量 ∞ c 维普资讯