n-十二酰基乙二胺三乙酸钠(LED3A)淋洗重金属污染土壤的行为研究

摘要

污染土壤中的有毒有害物质可在动植物体内积累，通过食物链威胁人类的健康，因此对污染土壤的修复具有重要意义。化学淋洗修复因其时间短、效率高、可与其它修复技术联用而受到广泛关注。而化学淋洗的关键是淋洗剂的选择，高效和绿色是淋洗剂必备要素。现有报道的淋洗试剂种类有酸、碱、盐、螯合剂和表面活性剂等;虽能有效去除污染物质，但酸、碱、盐对土壤结构的破坏较为严重，且会产生二次污染。螯合试剂及表面活性剂成为近年来诸多学者研究的重点。但是，螯合剂只针对重金属污染土壤，无法有效去除复合污染土壤中的有机物;而传统的表面活性剂对重金属的去除效果不佳。因此，寻找一类既能螯合重金属又能增溶有机物且对环境友好的淋洗试剂成为污染土壤化学淋洗修复的关键。
　　新型螯合型表面活性不仅具有普通表面活性剂的所有性能，还具有螯合重金属离子的能力。该类表面活性剂在环境中易降解，对哺乳动物和水生生物无毒，不会对环境造成二次污染。因此，本论文选用新型螯合型表面活性剂N-十二酰基乙二胺三乙酸盐(LED3A)作为淋洗试剂，选择西北地区黄土作为受试土壤，Pb、Zn作为重金属污染物代表，系统研究了LED3A胶束的影响因素、LED3A对土壤吸附Pb、Zn的影响以及LED3A对Pb、Zn污染土壤的修复效果。以期为LED3A修复污染土壤提供理论支撑，为污染土壤的化学淋洗修复提供新的技术途径。主要研究结论如下:
　　(1)通过Zeta电位探究不同影响因素对LED3A胶束稳定性的影响。结果表明，当LED3A浓度达到7000 mg·L-1时，胶束的稳定性最好;最佳pH为9;K+较Na+更易使LED3A胶束稳定，Mg2+对LED3A胶束稳定性的影响规律与K+和Na+相反。
　　(2)通过批次实验，研究LED3A对重金属Pb、Zn在土壤上单一及竞争吸附的影响。LED3A对单一Pb、Zn吸附的影响实验结果表明，LED3A能够削弱土壤对Pb、Zn的吸附，LED3A胶束与土壤对Pb、Zn的竞争作用大于LED3A单体，且其对Zn的螯合能力大于Pb。在LED3A-土壤-Pb-Zn共存体系下，Pb、Zn竞争吸附过程与土壤-Pb-Zn体系下类似。LED3A的存在使Pb、Zn竞争吸附的平衡时间分别缩短了2h和4h，LED3A使Pb、Zn的最大吸附量分别减小了2.56和4.97 g·kg-1。LED3A对不同比例Pb、Zn在土壤上竞争吸附的影响表现为Pb＞Zn。
　　(3)通过批次实验，研究了LED3A对单一及复合Pb、Zn污染土壤的洗脱效果。不同浓度的LED3A对单一污染土壤的洗脱动力学过程符合准二级动力学模型，当LED3A浓度大于3.0 g·L-1时，最佳洗脱平衡时间应小于12h，洗脱平衡时Pb、Zn的最大去除率分别为55.1％和65.1％; LED3A对Pb、Zn的洗脱过程为吸热过程，常温下最佳洗脱浓度为7.0 g·L-1;洗脱最佳pH为9;K+和Na+均使LED3A对Pb、Zn的去除率降低，但Na+对去除率的影响更大。经LED3A洗脱后，酸可提取态的Pb、Zn所占比例均大幅降低;氧化物结合态、有机结合态和残余态的Pb、Zn所占比例呈现增加趋势。不同浓度的LED3A对Pb-Zn复合污染土壤的洗脱平衡时间均表现为Pb大于Zn，洗脱过程符合准二级动力学模型。温度升高有利于LED3A洗脱Pb-Zn复合污染土壤。洗脱后，土壤中酸可提取态和残余态重金属所占比例分别表现为降低和增加。颗粒内扩散是LED3A洗脱Pb、Zn的速率控制步骤，但其并非唯一的速率控制机制。
　　(4)由振荡洗脱实验可知，LED3A洗脱最佳条件为7.0 g·L-1。因此本部分只研究动态非平衡条件下流速对LED3A淋洗单一及复合Pb、Zn污染土壤的淋洗效果。对单一污染土壤淋洗的结果表明，淋洗速度增大使淋洗液中Pb、Zn的最大浓度减小，Pb、Zn的最大累积去除率分别为50.2％和60.3％。随着淋洗深度的增加和淋洗速度的增大，各形态Pb、Zn的去除率均呈减小趋势;LED3A对各形态Pb、Zn的去除率大小顺序与淋洗速度和深度有关。淋洗后土柱中不同深度处的酸可提取态Pb、Zn所占比例明显减小;其它三种形态所占比例均有不同程度的增大。对复合污染土壤的淋洗结果表明，Pb、Zn淋洗曲线的对称性均好于单一污染土壤。低流速时Pb、Zn的最大去除率分别为48.9％和52.9％。各形态Pb、Zn去除率的规律基本与淋洗单一污染土壤类似。但是在下层土壤中存在Pb、Zn的再吸附现象;且再吸附现象随着淋洗速度的增大而减弱。因此LED3A淋洗单一及复合Pb、Zn污染土壤后，污染土壤中残留重金属Pb、Zn的迁移性明显降低，且低速淋洗效果最好。
　　综上所述，论文所选取的新型螯合型表面活性剂LED3A对重金属Pb、Zn表现出优良的螯合性能;在洗脱和淋洗修复单一及复合Pb、Zn污染土壤的过程中，对重金属Pb、Zn的去除率较高，同时LED3A淋洗后污染土壤中重金属的环境风险明显降低。因此，LED3A能够作为环境友好型的淋洗试剂应用于污染土壤的化学淋洗修复中。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 土壤重金属污染

1．1．1 土壤重金属的种类及来源

1．1．2 土壤重金属污染的特点及其危害

1．1．3 土壤重金属污染现状

1．2 土壤重金属的形态

1．3 土壤重金属吸附及解吸的研究进展

1．4 重金属污染土壤的修复技术

1．4．1 物理修复技术

1．4．2 植物修复技术

1．4．3 微生物修复技术

1．4．4 化学修复技术

1．5 化学淋洗试剂的研究进展

1．6 新型螯合型表面活性剂的研究进展

1．7 研究意义及内容

1．7．1 研究意义

1．7．2 论文创新点及研究内容

1．7．3 技术路线

2 螯合型表面活性剂LED3A Zeta电位的影响因素研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试剂与仪器

2．1．2 实验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 LED3A浓度对其Zeta电位的影响

2．2．2 pH值对Zeta电位的影响

2．2．3 离子强度对Zeta电位的影响

2．3 小结

3 螯合型表面活性剂LED3A对土壤吸附Pb、Zn的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 试剂与仪器

3．1．3 LED3A对土壤吸附单一Pb、Zn的影响

3．1．4 LED3A对Pb、Zn在土壤上竞争吸附的影响

3．2 结果与讨论

3．2．1 LED3A对土壤吸附单一Pb、Zn的影响

3．2．2 LED3A对Pb、Zn在土壤上竞争吸附的影响

3．3 小结

4 螯合型表面活性剂LED3A洗脱单一Pb、Zn污染土壤

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 试剂与仪器

4．1．3 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 LED3A对单一Pb、Zn污染土壤的洗脱动力学

4．2．2 LED3A对单一Pb、Zn污染土壤的等温平衡洗脱

4．2．3 pH对洗脱效果的影响

4．2．4 离子强度对洗脱效果的影响

4．2．5 洗脱前后Pb、Zn的形态变化

4．2．6 LED3A洗脱单一Pb、Zn污染土壤的洗脱机制

4．3 小结

5 螯合型表面活性剂LED3A洗脱Pb-Zn复合污染土壤

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 试剂与仪器

5．1．3 实验方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 LED3A对Pb-Zn复合污染土壤的洗脱动力学

5．2．2 LED3A对Pb-Zn复合污染土壤的等温平衡洗脱

5．2．3 LED3A洗脱前后复合污染土壤中重金属的形态变化

5．2．4 LED3A对Pb-Zn复合污染土壤的洗脱机制

5．3 小结

6 动态非平衡条件下LED3A对重金属污染土壤的淋洗

6．1 材料与方法

6．1．1 实验材料

6．1．2 试剂与仪器

6．1．3 实验装置

6．1．4 实验方法

6．2 结果与讨论

6．2．1 KBr穿透曲线

6．2．2 LED3A对单一Pb、Zn污染土壤的淋洗

6．2．3 LED3A对Pb-Zn复合污染土壤的淋洗

6．3 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果