胡秀芳,陳友媛,2**
(中國(guó)海洋大學(xué)1.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266100)
沉積物是自然水體中磷遷移轉(zhuǎn)化的重要載體和歸宿[1]。河流、湖泊中污染物積累及其處理與處置已成為亟待解決的難題[2]。疏浚和生態(tài)清淤工程目前被廣泛用于改善水體污染狀況[3]。如果疏浚和清淤底泥處理不當(dāng),污染物可能會(huì)重新釋放到環(huán)境中。因此,尋找合適有效處理疏浚和清淤底泥的方法十分迫切。
穩(wěn)定固定化技術(shù)是1種有效修復(fù)污染沉積物的原位或異位處理技術(shù)。它使被污染沉積物具備一定的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度穩(wěn)定性,可有效降低其中磷等的活性,從而對(duì)磷等起到穩(wěn)定固定化作用。黏土礦物由于其吸附性能被廣泛用于水環(huán)境治理領(lǐng)域[4]。天然的[5]和經(jīng)改性后[6-8]的高嶺土、膨潤(rùn)土都對(duì)磷有很強(qiáng)的吸附能力。目前,黏土礦物多用于廢水處理或作為1種穩(wěn)定劑摻入水泥、粉煤灰中用于穩(wěn)定固定Zn、Cu等重金屬[9-10]。鄺臣坤等[11]研究也發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定固定化的底泥磷釋放量減小了。Eleni等[12]運(yùn)用黏土礦物用于衛(wèi)生填埋場(chǎng)中無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物的固定,日本學(xué)者Solihin等[13]向KH2PO4中摻雜高嶺土作為1種緩慢釋放的肥料,都取得了很好的效果,但摻雜黏土礦物用于磷污染沉積物治理修復(fù)的研究則鮮有報(bào)道。因此,選擇化學(xué)純高嶺土、膨潤(rùn)土和沸石摻雜于東昌湖表層沉積物中,來(lái)研究磷在沉積物中吸附與解吸特征參數(shù)的變化,探討這3種黏土礦物對(duì)沉積物吸附解吸磷的影響,考察其用于磷污染沉積物治理的可行性,使其具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。
2012年4 月采用抓斗式采泥器采集均勻分布于東昌湖12個(gè)點(diǎn)的表層5cm厚度底泥,去除雜物后,自然風(fēng)干,稱取各個(gè)采樣點(diǎn)相同質(zhì)量的底泥后混合,采用四分法取試驗(yàn)樣品,過(guò)200目(0.075mm)篩備用。沉積物粒度主 要分布在 0.004~0.125mm 之 間,占76.61%,平均粒徑為0.032mm。
高嶺土、膨潤(rùn)土和沸石均購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所,粒徑為80~200目。它們都屬于天然礦物,不僅理化性質(zhì)穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境影響小,而且其對(duì)磷的高吸附性已在廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。3種黏土礦物和沉積物部分理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
1.2.1 沉積物摻雜黏土礦物 將3種黏土礦物在70℃烘干后,按質(zhì)量分為0%、5%、10%、20%和40%向風(fēng)干沉積物中摻雜,加入微量礦物鹽(Minimal mineral salts,MMS)溶液[14]混勻,使樣品中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%,并保持10d,室溫下風(fēng)干并過(guò)200目篩,待用。
1.2.2 3種黏土礦物摻雜后沉積物吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)
準(zhǔn)確稱取0.5g上述摻雜黏土礦物后的沉積物于250mL錐形瓶中,加入由0.02MKCl溶液配制的磷濃度為2.0mg/L的KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液50mL,置于恒溫振蕩器中,并加2滴氯仿。在180~190r/min,(25±1)℃下,分別振蕩0、0.25、0.5、1、2、5、12、24、36、48、60和72h。離心(5 000r/min,5min),上清液過(guò)0.45μm醋酸纖維濾膜,采用鉬銻抗分光光度法測(cè)其活性磷酸鹽含量,根據(jù)吸附前后濃度變化,計(jì)算吸附量,進(jìn)一步計(jì)算吸附速率。
表1 高嶺土、膨潤(rùn)土、沸石、沉積物部分理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characteristics of kaolin,bentonite,zeolite and sediment
1.2.3 3種黏土礦物和黏土礦物摻雜后沉積物吸附熱力學(xué)試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取上述3種黏土礦物和按不同比例摻雜后的沉積物0.5g于250mL錐形瓶中,加入由0.02mol/L KCl溶液配制的不同 KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液(磷濃度分別為0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0、5.0、10.0mg/L)50mL于恒溫振蕩器中,并加2滴氯仿。在180~190r/min,(25±1)℃下振蕩48h,離心(5 000r/min,5min),過(guò)濾(0.45μm),磷測(cè)定及磷吸附量計(jì)算同1.2.2動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),并利用Langmuir模型擬合得出相關(guān)參數(shù)。
1.2.4 3種黏土礦物摻雜后沉積物解吸熱力學(xué)試驗(yàn)
操作過(guò)程分3步。(1)磷吸附飽和。稱取上述沉積物0.5g于250mL錐形瓶中,加入由0.02mol/L KCl溶液配制的不同KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液(磷濃度分別為0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0、5.0、10.0 mg/L)50mL和2滴氯仿。在(25±1)℃下,振蕩24h,離心,棄去上清液。(2)沉積物漂洗。磷吸附飽和后,在錐形瓶中加入1mol/L NaCl溶液25mL,手動(dòng)搖散、離心、棄去上清液,相同方法再漂洗一次。(3)磷解吸操作。沉積物漂洗后,在錐形瓶中加入0.02mol/L KCl溶液50mL,2滴氯仿,在(25±1)℃下,振蕩24h,離心、過(guò)濾及濾液活性磷酸鹽含量測(cè)定同上述吸附試驗(yàn)過(guò)程。
上述吸附、解吸試驗(yàn)在相同條件下作3個(gè)平行,相對(duì)誤差小于5%。
1.2.5 測(cè)定方法 磷用鉬銻抗分光光度法測(cè)定;pH用酸度計(jì)測(cè)定(土∶水=1∶5);比表面用氮?dú)馕?,比表面積測(cè)定儀測(cè)定;羥基釋放量用NaF交換,酸堿中和滴定法測(cè)定;陽(yáng)離子交換量用BaCl2溶液飽和交換法測(cè)定;膠體氧化鐵、氧化鋁用草酸和草酸銨緩沖液提取,用等離子發(fā)射光譜法測(cè)定;水溶性鈣用蒸餾水浸提,原子吸收法測(cè)定;全磷含量采用H2SO4-HClO4消煮法測(cè)定。粒度分布采用烏頓-溫德華氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15],測(cè)定方法為密度計(jì)法。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化比色法測(cè)定。
1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析 沉積物對(duì)磷的吸附量和解吸量采用下式計(jì)算:
式中:Qt為t時(shí)刻磷吸附量或解吸量(mg/g);△Ct為溶液中磷初始濃度與t時(shí)刻濾液磷濃度之差(mg/L);V為溶液體積(L);W為沉積物質(zhì)量(g)。
沉積物對(duì)磷的吸附是1個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,通常包括快吸附和慢吸附[16]。表2列出了不同取樣時(shí)間段、不同黏土礦物摻雜比例下,沉積物吸附磷的速率??煳街饕l(fā)生在前7h,之后進(jìn)入慢吸附過(guò)程,并在24h逐漸達(dá)到平衡。為了反映沉積物對(duì)磷的吸附過(guò)程,引入吸附速率的概念。其中0~7h之間的吸附速率最大,達(dá)到0.000 2~0.27mg/(g·h),是以后各時(shí)間段的幾倍到百倍。
分析摻雜3種黏土礦物后沉積物吸附動(dòng)力學(xué)特性可知,高嶺土按5%和10%摻雜時(shí)的吸附速率基本上都大于摻雜比例為20%和40%時(shí),從吸附速率上說(shuō)明5%~10%摻雜時(shí)能提高沉積物吸附磷的能力。隨著膨潤(rùn)土摻雜比例的增大,吸附速率逐漸增大。沸石按5%摻雜時(shí),吸附速率變化趨勢(shì)與高嶺土、蒙脫土相同,但當(dāng)摻雜比例繼續(xù)增大時(shí),吸附速率均為負(fù)值。
描述磷在黏土礦物表面的吸附熱力學(xué)行為,最常用的是Langmuir模型,如下式:
表2 不同取樣時(shí)間段內(nèi)摻雜3種黏土礦物后沉積物對(duì)磷的吸附速率/mg·(g·h)-1Table 2 The adsorption rates of phosphrous on the different sediments after the three clay minerals adulterated
上式通過(guò)一元線性可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>
式中:Q為活性磷酸鹽在沉積物上的吸附量(mg/g);Qmax為最大吸附量(mg/g);C為磷平衡濃度(mg/L);K為吸附平衡系數(shù)。
以C/Q對(duì)C作圖,根據(jù)最小二乘法原理即可進(jìn)行一元線性擬合,根據(jù)斜率和截距可以求出吸附參數(shù)Qmax及K。表3是用一元線性擬合方法得到的Langmuir模型參數(shù)。
根據(jù)Langmuir模型可以得到黏土礦物吸附磷的重要參數(shù)Qmax,該值反映黏土礦物吸附磷的容量因子。高嶺土和膨潤(rùn)土的最大吸附量分別為0.009 5和0.14 mg/g。而沸石對(duì)磷沒(méi)有吸附作用,一直處于解吸狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),膨潤(rùn)土對(duì)磷的吸附能力要大于高嶺土相應(yīng)的吸附能力,前者是后者的14.32倍。膨潤(rùn)土和高嶺土同為層狀硅酸鹽礦物,其中高嶺土為1∶1型,層間電荷近于0,膨潤(rùn)土為2∶1型,層間電荷多。這種層間結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致膨潤(rùn)土的陽(yáng)離子交換量(91.8cmol/kg)明顯高于高嶺土(19.6cmol/kg),而礦物的吸附能力與陽(yáng)離子交換容量成正比[17]。另外,黏土礦物吸附磷能力還與表面積及化學(xué)組成有關(guān),從表1可知,膨潤(rùn)土的表面積是高嶺土的6.3倍。其中水溶性鈣含量、膠體氧化鐵和膠體氧化鋁等活性化學(xué)成分對(duì)磷吸附的影響較大,膨潤(rùn)土上述含量也明顯高于高嶺土。因此,綜合上述原因,膨潤(rùn)土的吸附磷能力強(qiáng),而高嶺土弱。沸石,其為1種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅酸鹽礦物質(zhì),分子篩效應(yīng)導(dǎo)致的選擇性吸附是沸石吸附性能的1個(gè)重要特征,盡管沸石無(wú)論是表面積(199.7m2/g)還是陽(yáng)離子交換量(275.4cmol/kg),都大于膨潤(rùn)土和高嶺土,但沸石孔道內(nèi)往往被水分子和其他陽(yáng)離子占據(jù),使得孔道不暢通,影響了沸石的吸附能力[18],且鋁含量少,致使磷吸附量為負(fù)值。另外以往研究也指出沸石對(duì)氨氮的吸附效果好,對(duì)磷吸附效果差[19-20],且直接使用沸石,吸附能力往往達(dá)不到要求,一般經(jīng)過(guò)改性[21]。
表3 3種黏土礦物吸附磷的Langmuir模型擬合參數(shù)Table 3 The parameters of Langmuir model simulated for the sorption of phosphorus on the three clay minerals
摻雜3種黏土礦物前后沉積物吸附磷的Langmuir擬合曲線如圖1所示,其中摻雜黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的是沉積物原樣。從圖1可以看出,沉積物分別摻雜高嶺土、膨潤(rùn)土和沸石后,由于它們可作為有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物的機(jī)械基質(zhì)[22],間接地影響沉積物對(duì)磷的吸持并呈現(xiàn)不同的吸附特性。高嶺土按5%和10%摻雜后,增大了沉積物對(duì)磷的最大吸附量,分別增加了17.33%和8.36%,且摻雜5%高嶺土的沉積物對(duì)磷的最大吸附量大于摻雜10%的沉積物。當(dāng)摻雜比例為20%和40%時(shí),沉積物對(duì)磷的最大吸附量分別減小了7.7%和43.31%。這是因?yàn)楦邘X土中的陽(yáng)離子與沉積物土層間的陽(yáng)離子發(fā)生交換,陽(yáng)離子進(jìn)入沉積物土層間,加大了層間距,使進(jìn)入沉積物的鋁含量增加,磷的去除率增大。當(dāng)摻雜比例為5%~10%時(shí),離子交換達(dá)到平衡。繼續(xù)增加高嶺土摻雜比例,過(guò)量的陽(yáng)離子導(dǎo)致沉積物土層空隙的阻塞,降低了對(duì)磷的吸附能力。因此摻雜高嶺土?xí)r,存在1個(gè)最佳摻雜比例問(wèn)題。本試驗(yàn)最佳摻雜比例為5%~10%。
摻雜膨潤(rùn)土可增加沉積物對(duì)磷的吸附量,且隨著摻雜比例的增大,吸附能力越來(lái)越強(qiáng)。摻雜膨潤(rùn)土5%、10%、20%和40%時(shí),沉積物最大吸附量增加量依次為8.7%、17.93%、21.83%和58.71%。這主要是因?yàn)榕驖?rùn)土中鋁和鈣含量高,與沉積物中磷結(jié)合成不易釋放的Al-P和Ca-P等。雖然膨潤(rùn)土和沉積物土層中的陽(yáng)離子也發(fā)生交換,但由表1可知,膨潤(rùn)土最大吸附量為0.14mg/g,明顯高于原沉積物,所以離子交換發(fā)揮的作用很小。
當(dāng)沸石摻雜比例為5%時(shí),沸石對(duì)磷吸附的影響小于沉積物原樣,固表現(xiàn)出吸附特性。但最大吸附量比沉積物原樣降低了35.66%。繼續(xù)增加摻雜比例,混合樣就存在解吸現(xiàn)象,這可能與沸石自身攜帶的雜質(zhì)含量有關(guān)。全磷測(cè)定結(jié)果表明,沸石中的磷含量(0.11mg/g)明顯高于高嶺土(0.022mg/g)和膨潤(rùn)土(0.024mg/g)。
沉積物中的活性組分如有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物對(duì)沉積物吸附磷的貢獻(xiàn)很大,含量越大,吸附磷能力越強(qiáng)。東昌湖沉積物主要為粉砂,所占比例為71.61%。有機(jī)質(zhì)含量為1.24%,全磷含量為0.498mg/g,表面積為36.86m2/g。黏土礦物的摻雜一方面增加了沉積物中黏土礦物的含量,使小粒徑顆粒物增多。沉積物的吸附能力與粒度分布密切相關(guān),顆粒越細(xì),吸附能力越大。另一方面摻雜的混合作用也能引起其他活性組分的變化,導(dǎo)致沉積物吸附磷能力的變化。如摻雜高嶺土5%和10%時(shí),沉積物pH由7.80降為6.81左右,高嶺土在微酸性的條件下磷去除率最高[23]。當(dāng)摻雜高嶺土20%和40%時(shí),沉積物pH由7.80升為8.62左右,偏堿性環(huán)境不利于磷的吸附,導(dǎo)致沉積物吸附磷能力減弱。膨潤(rùn)土同樣遵循這樣的規(guī)律。而摻雜沸石后,沸石由于自身理化性質(zhì)差異,吸附磷規(guī)律有待進(jìn)一步研究。
圖1 3種黏土礦物摻雜后沉積物吸附磷Langmuir擬合曲線Fig.1 Langmuir isotherms of phosphorus adsorbed onto the sediments after the three clay minerals adulterated
批量法進(jìn)行吸附/解吸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于50mL不同磷濃度的溶液來(lái)說(shuō),0.5g樣品吸附24h平衡后,溶液中的磷不同程度被吸附到沉積物中。經(jīng)0.02mol·L-1KCl提取后,吸附在沉積物中的磷又發(fā)生了不同程度的解吸,因此為描述沉積物固定磷的特性,在此引用“最終吸持率”的概念,即解吸平衡后沉積物中磷的最終保有量與最初吸附量的比值,磷最終吸持率列于表4。由表4可知,摻雜高嶺土后磷吸持率先增加后減小,摻雜膨潤(rùn)土后磷吸持率隨摻雜比例增加而增加,摻雜沸石減少了磷的吸持率。具體表現(xiàn)是,沉積物原樣中的磷吸持率為42.34%。摻雜高嶺土比例為5%和10%時(shí),最終吸持率最大增加了50.47%;當(dāng)摻雜比例為20%和40%時(shí),減小了磷吸持能力,最終吸持率最大減小了22.72%。膨潤(rùn)土的摻雜增加了沉積物吸持磷能力,且隨著摻雜比例的增加而增加,最大增加了93.25%。當(dāng)沸石摻雜比例為5%時(shí),吸持率為52.44%,高于原沉積物。雖然吸附量低于原沉積物,但最終吸持率卻增大了。這可能是由于沉積物與沸石之間生成某種絡(luò)合物,該物質(zhì)對(duì)磷有固定作用。繼續(xù)增加沸石量,吸持率變?yōu)樨?fù)值,此時(shí)最終吸持率沒(méi)有任何意義。
表4 解吸試驗(yàn)沉積物中磷的最終吸持率Table 4 Phosphorus sequestrated by the sediments after desorbing with KCl solution /%
3種黏土礦物對(duì)沉積物吸持磷能力的影響與黏土礦物性質(zhì)密切相關(guān)。摻雜高嶺土?xí)r,不同摻雜比例體現(xiàn)不同的吸附特性。當(dāng)摻雜比例為5%和10%時(shí),吸附量增加。摻雜比例為5%時(shí),最終吸持率最高達(dá)到63.71%。當(dāng)摻雜比例為40%時(shí),與原沉積物相比,吸附量減小了,最終吸持率也減小了22.72%。隨著膨潤(rùn)土摻雜比例的不斷加大,磷吸附量和最終吸持率都逐漸增大。沸石因自身易引起堵塞,減小了沉積物吸持磷能力,摻雜沸石對(duì)穩(wěn)定固化磷沒(méi)有作用。因此,可以考慮適量摻雜高嶺土和膨潤(rùn)土對(duì)磷污染沉積物進(jìn)行固定化處理和處置。
致謝:在該研究的野外采樣中,胡廣鑫、張潮、張超、駱傳婷等給予了很大幫助,在實(shí)驗(yàn)研究中,得到了申宇、劉花的協(xié)助,在此致謝!
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