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《内蒙古工业大学》 2019年
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生物炭负载纳米零价铁对乌梁素海沉积物中重金属镉的稳定化研究

韩宝红  
【摘要】:重金属由于其毒性、持久性和生物累积性对水体环境和生物健康构成严重威胁。乌梁素海地处内蒙古黄河河套平原,其水质安全关系地区用水安全。近年来,乌梁素海受重金属污染严重,对沉积物中重金属进行固定化是减少污染的关键。固定化技术利用稳定剂和重金属之间的物理化学作用,降低重金属的流动性,从而实现对受重金属污染沉积物的修复。本研究通过实验室模拟,以高原寒旱区湖泊─乌梁素海为研究对象,选取生物炭(Biochar,BC)、纳米零价铁(Nanoscale zero-valent iron,nZVI)和生物炭负载纳米零价铁(Biochar-supported nanoscale zero-valent iron,BC-nZVI)为稳定剂,对沉积物中的镉(Cd)进行固定化研究,结果对寒旱区湖泊沉积物的重金属污染修复具有一定指导意义。本研究利用高温限氧热解法制备BC,液相还原法制备nZVI和BC-nZVI。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)等对稳定剂进行表征。此外,通过批次实验确定了稳定剂BC-nZVI的最佳铁炭比及投加量。结果表明,当铁炭比nZVI/BC=1:3,投加量为0.05g,且老化时间为35 d时,BC-nZVI对Cd的固定效果最好,此时沉积物中Cd的残渣态含量增加了52.10%。为模拟乌梁素海实际环境,选择上覆水中磷浓度、共存离子、温度和腐殖酸(HA)含量等因子作为影响因素,考察了BC、nZVI和BC-nZVI三种稳定剂对沉积物中Cd的固定效果。研究表明,上覆水溶液中含磷可以使Cd的固定效果增强,尤其是当水中磷浓度为0.02 mg/L时,BC-nZVI对Cd的固定效果最好,残渣态增加了77.44%。通过研究Cl~-、HCO_3~-、Cu~(2+)和Zn~(2+)对Cd固化的影响,发现Cl~-、HCO_3~-和Zn~(2+)的存在更有利于Cd的固化,Cu~(2+)的存在对固定Cd不利,尤其是Cu~(2+)在较高浓度(10 mM)时,增加了Cd向上覆水释放的风险。在考察温度对Cd固定的影响时,同时测定了沉积物pH值、氧化还原电位(ORP)值、有效磷含量以及Cd形态的变化情况。结果表明,随着温度的升高,BC和BC-nZVI的加入均可使沉积物的pH值增加,ORP值先增加后减少,有效磷含量增加。同时发现,在不同温度条件下BC-nZVI对Cd的固定效果最好,特别是在0°C和30°C时,残渣态含量增加了25.44%和38.67%,Cd的流动性显著降低。考察HA的添加对Cd固定化影响时,发现添加HA可以使得稳定态Cd含量增加,BC-nZVI使Cd的残渣态含量增加了69.86%。酶活性是评估沉积物修复效果的指标之一。因此,文中还分析了在不同HA含量下,BC、nZVI和BC-nZVI对沉积物中生物酶活性的影响。通过测定沉积物中过氧化氢酶(CAT)、脲酶(UE)和碱性磷酸酶(AKP)三种酶的活性发现CAT变化不明显,UE活性和AKP活性增加,且酶活性的变化情况与HA含量并无明显相关性;同时还可推断出,HA的添加有利于沉积物的修复。实验研究发现三种稳定剂的加入均可使部分Cd从不稳定态转化为稳定态,其中BC-nZVI的效果最好。通过固定化处理降低了Cd的流动性,为乌梁素海重金属污染沉积物的修复提供了理论依据。
【学位授予单位】:内蒙古工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:X524;TB383.1;O614.811

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