掺杂添加剂对表层沉积物吸附重金属能力的影响

【摘要】： 表层沉积物(surficial sediments)是水体的一个重要组成部分,是由风化后的陆上矿物、岩石和土壤细颗粒随地面水径流以悬浮物形式带到河流、湖泊或海洋中,在已定环境条件下沉积于水底形成的,也是水体中重金属污染物的源和最终归宿。重金属在表层沉积物-水相界面进行着一系列的迁移转化过程,其中吸附作用是沉积物-水界面经常发生的最重要的反应之一,在表层沉积物的各组分中,有机质、水合金属氧化物、粘土矿物是表层沉积物中起吸附作用的部分。而周围环境的细微变化都可能导致吸附在表层沉积物上的重金属的解吸释放,造成环境的二次污染。因此,研究表层沉积物中重金属的修复是很有意义的。 国内外针对污染表层沉积物中重金属的修复做了大量的研究,目前主要有物理、生物、化学修复三大类技术方法。针对表层沉积物中重金属的化学修复国内外的研究还停留在实验阶段,而且研究大多借鉴土壤中重金属的修复。可以实现土壤或表层沉积物中重金属固定化的添加剂有很多,大致可以分为四类。有机质类:腐殖酸、EDTA、单宁酸、柠檬酸等;铁锰氧化物类:针铁矿、赤铁矿、隐钾锰矿等;硅酸盐类:沸石、蒙脱石、膨润土、伊利石等;磷酸盐类:磷灰石、羟基磷灰石等。有机质添加剂、铁锰氧化物添加剂、粘土矿物和羟基磷灰石添加剂广泛应用于水体和土壤的重金属吸附、固定。相比之下,国内外对添加剂固定沉积物中重金属的研究较少。 本研究考虑到固定剂可能会影响表层沉积物的理化性质,从表层沉积物的主要吸附组分出发,采用表层沉积物的主要吸附组分、且在污水或污染土壤修复中稳定固定化效果较好的有机质(腐殖酸、单宁酸、壳聚糖)、铁氧化物(针铁矿、赤铁矿、水铁矿、铁矿粉)、粘土矿物(蒙脱石、伊利石)和羟基磷灰石作为表层沉积物中重金属稳定固定化的添加剂,考察比较添加剂的掺杂对重金属铜、锌在表层沉积物上的吸附并用毒性特征浸出法研究各种添加剂对吸附在沉积物上的铜、锌、铅、镉的解吸的影响,比较添加剂掺杂后铜、锌、铅、镉在掺杂沉积物上的吸持率,以初步选定对沉积物中重金属固定效果较好的添加剂进行下一步污染沉积物中重金属固定化的研究。研究结果表明: (1)有机质添加剂对铜、锌在沉积物上最大吸附量的影响有所不同。和铜相比,掺杂有机添加剂更能提高锌的最大吸附量。本研究中选用的有机添加剂的溶解性可能是影响有机添加剂增大或减小重金属最大吸附量的原因之一。添加有机添加剂均可以提高沉积物对锌、镉的吸持,其中单宁酸对两种重金属吸持率的影响最大。三种有机添加剂都可以减小重金属铜、锌、镉的生物有效性,掺杂比例越大有效性越小,且三种有机添加剂对铜、锌、镉生物有效性的影响,单宁酸腐殖酸壳聚糖。腐殖酸、壳聚糖和一定比例的单宁酸均可以提高在pH=4.93±0.05时铅的解吸率,降低pH为2.88±0.05的情况下铅的解吸率。只有按5%的比例掺杂单宁酸可以同时降低四种重金属的生物有效性。 (2)只有一定比例铁矿粉可以提高沉积物对铜的吸附,掺杂针铁矿或赤铁矿后沉积物对锌的吸附有较大增强。铁氧化物吸附重金属可能出于配位体交换作用。铁氧化物可以在不同程度上增大镉在沉积物上的吸持。选用的铁氧化物都不能同时有效降低两个pH值下吸附在沉积物上的铜和铅的生物可利用性。四种铁氧化物添加剂都可以在不同程度上降低锌和镉的生物可利用性,其中铁矿粉对锌生物可利用性的降低最小。 (3)在考察的粘土矿物或羟基磷灰石不同掺杂比例中,只有按5%的比例掺杂粘土矿物添加剂可以提高沉积物对铜的吸附能力;掺杂粘土矿物添加剂可以增大沉积物对锌的吸附。羟基磷灰石更能提高沉积物对重金属的吸附能力,掺杂后铜、锌的最大吸附量可达在沉积物原样上最大吸附量的1.66和3.95倍。粘土矿物添加剂降低铜的吸持率,一定比例的伊利石可以提高锌、镉在沉积物上的吸持;掺杂羟基磷灰石可提高铜、锌、铅、镉的吸持率,且随着掺杂比例的增大,重金属的吸持率增大。选用的两种粘土矿物中蒙脱石对重金属生物可利用性的影响比伊利石大,伊利石只能在一定程度上降低铅的生物可利用性,而蒙脱石除可以降低铅的生物可利用性之外还可以降低锌、镉的生物可利用性。而羟基磷灰石降低重金属生物可利用性的能力比粘土矿物强,可以看出羟基磷灰石在很大程度上降低四种重金属的生物可利用性。 (4)比较各种添加剂对沉积物吸附解吸重金属特性的影响,则金属种类不同,添加剂的作用不同。沉积物中铜、锌、铅、镉修复固定的难易顺序为:锌镉铅铜。有机质、铁氧化物、粘土矿物、羟基磷灰石添加剂的修复固定重金属效果的顺序为:羟基磷灰石有机质铁氧化物粘土矿物。对重金属的吸附有很大贡献的沉积物主要组分:铁氧化物、有机质、粘土矿物添加到沉积物后,沉积物多种重金属的吸附能力不能同时提高,且对部分重金属吸附能力的提高幅度较低。而沉积物中含量很低的羟基磷灰石在提高沉积物对重金属的吸附和降低重金属生物有效性方面能力最强,其在污染沉积物的重金属固定方面很有发展潜力。