铁基材料对锑污染土壤固化稳定化应用效果研究

2020-05-12唐礼虎

科学技术创新 2020年10期

唐礼虎

（上海傲江生态环保有限公司，上海200120）

锑广泛应用于合金中作为金属或合金的硬化剂，也用于生产各种阻燃剂、搪瓷、玻璃、橡胶、涂料、燃料、陶瓷、塑料，锑主要以Sb（Ⅲ）和Sb（0）两种价态暴露到环境中，在锑矿山和锑冶炼厂附近土壤和水体中都发现了较高含量的锑[1]。Sb 对人体和生物体具有慢性毒性，有致畸、致癌的健康风险。环境中的锑主要来自于铺矿的开采、金属冶炼加工和终端产品的使用。

固化－稳定化技术是在污染土壤中加入化学试剂或材料，利用它们与重金属之间形成移动性差、毒性小的物质来降低其在土壤中的生物有效性，减少其向其它环境介质的迁移，实现污染土壤的修复。铁基材料是土壤中锑固化稳定化的重要的材料。铁基材料稳定化Sb 主要是机理可能包括吸附，还包括共沉淀。而水合铁氧化物主要通过吸附作用（表面吸附和内吸附）去除Sb[2]。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试土壤。实验所用土壤湖南某锑品厂废弃工业场地，风干后用橡胶锤破碎，并剔除土壤中大块杂物后过2 mm 筛，混匀后备用。土壤样品的基本理化性质如下：

表1 供试土壤基本理化性质

1.1.2 固化稳定化材料。本实验选取的固化稳定化实验材料为：三氯化铁（FeCl3）、碳酸钙粉（CaCO3），氧化铁粉（Fe2O3）以及还原铁粉（Fe），以上药剂均为分析纯( AR)级试剂。以上实验药剂按照质量构成比为20%的零价铁粉，30%的碳酸钙、25%的氧化铁、20%的三氯化铁混合而成的混合药剂

1.2 试验方法与分析方法

1.2.1 试验方法。取300g土壤样品置于1L烧杯中，按相应质量比添加稳定剂，搅拌混匀后，再按质量比加入去离子水搅拌混匀，使土壤含水率在25%左右。置于恒温恒湿培养箱（温度25±1℃，湿度80%）中进行养护。养护过程中每天测试一次含水率，并添加适量去离子水保持土壤含水率在（25±1）%，养护7d 后取出样品进行相应的分析检测。

1.2.2 分析方法。土壤pH 测点采用电位法（HJ 962-2018）；Sb浸出毒性采用危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别（GB 5085.3-2007附录B）；土壤Sb 的含量采用土壤和沉积物12 种金属元素的测定王水提取- 电感耦合等离子体质谱法（HJ 803-2016）。

其中，K为稳定效率，单位为%；C1与C2分别为固化稳定化处理前后土壤中Sb 的浸出浓度，单位为mg/L；

2 结果与讨论

2.1 药剂施入量对土壤中Sb 的固化稳定化效率研究

从图1 可知，随着药剂添加量的增加，土壤中Sb 固化稳定化效率逐步增加。药剂施入比例分别为土壤质量的1%、2%、3%，5%时，土壤Sb 的固定效率分别为35.3%、63.4%、81.8%，86.8%，这说明本药剂对土壤中Sb 固化稳定化有着良好的效果。

Fe3+水解产生的羟基氧化铁（FeOOH）能够通过专性吸附和非专性吸附的方式吸附土壤中的Sb（Ⅴ）并形成稳定的络合物[2]，降低Sb（Ⅴ）的迁移。除此之外，铁离子还可以与土壤中的Sb 直接反应生成沉淀[2]。由于锑和砷为同族相邻近元素，物理化学性质相似，吸附Sb（V）与吸附As（V）具有相同的吸附机理，两污染物在材料表面具有共同的吸附位，本实验药剂中氧化铁对锑的固化稳定化作用可能是由于锑在氧化铁表面发生的吸附和表面络合作用与铁砷共沉淀作用等。零价铁粉在土壤中容易被氧化水解生成Fe2+、Fe3+以及FeOOH 等氧化和水合产物，这些产物通过吸附和共沉淀等将降低锑的浸出毒性[2-3]。也有研究表明施加铁基材料可将交换态Sb 转化为铁锰结合态和残渣态[3]。从图中可知，锑固化稳定化药剂从1%增加至2%和3%时，锑固定效率分别增加28.1%和18.4%，而锑固化稳定化药剂施入量由3%增加至5%时，锑固化效率仅增加5%，说明随着药剂施入量增加，锑固定效率增速减慢，锑固定效率趋于饱和，这与张剑锋[4]、宋刚练[5]等人的研究成果一致。这可能由于随着固化稳定化药剂的施加，污染土壤中相对自由的非吸附态的锑浓度降低，铁基材料对锑的吸附和解吸达到平衡状态。

2.2 不同药剂添加量对土壤pH 的影响

图1 不同药剂添加量对土壤中Sb 的固化稳定化效果

图2 不同药剂添加量对土壤pH 的影响

重金属在土壤中存在形态与土壤pH 息息相关。从下图中可以看到，原土的pH 为8.28，随着固化稳定化药剂施入量由1%增加至5%时，土壤pH 由8.03 降低至6.48。本药剂中FeCl3为强酸性，其水解会使土壤的pH 值降低，这可能是药剂施加使污染土壤pH 值降低的主要原因。而根据张湘茗、任学昌[6]的研究，污染土壤中施入碳酸钙能够提高土壤pH，而且水解后产生的CO32-和HCO3-作为一种缓冲离子对能够缓解Fe3+对土壤pH 的影响.施入药剂对pH 的降低可能就是FeCl3和碳酸钙共同作用的结果。重金属污染土壤固化稳定化后阻隔填埋作为一种污染土壤的重要消纳途径之一。土壤阻隔回填以后一般需参考《地下水水质标准》对土壤pH 的要求，既固化稳定化后土壤pH 在6～9 之间，碳酸钙的缓冲作用有利于降低固化稳定化对土壤pH 的扰动。