不同配比水泥土对铜离子的吸附性能研究

2020-06-15卢丹阳同济大学上海200092

安徽建筑 2020年5期

卢丹阳（同济大学，上海 200092）

1 引言

在生活垃圾的处理过程中，填埋是主要的方式之一。为了能够使污染物和外界环境隔绝，阻止污染液进入周围的水体和土壤，在填埋场地周围会建造防污防渗性能良好的垂直帷幕或者墙体，从而达到控制污染物扩散的效果。

污染液中通常含有多种无机物离子和有机物质，而重金属的污染问题目前备受关注。根据2014年4月发布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国整体土壤污染状况不容乐观，全国土壤的总超标率为16.1%，其中以重金属为主的无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%[1]。

从20世纪70年代，欧美发达国家就开始研究重金属污染土的工程特性，到现在，人们日益关心重金属污染问题。我国现有土壤重金属治理方法主要为工程治理与农艺调控。与其他技术相比，吸附固化技术具有处理效果好、处理周期短、适用范围广、成本低等优点。但目前利用固化技术处理土壤中的重金属离子的研究并不多，利用水泥土这一复合建筑材料作为固化材料来吸附铜离子的研究则更少。许龙[2]使用水泥土及粉煤灰作为固化剂，研究其吸附含铅离子与锌离子污染土体的强度和淋滤特性。陈蕾、刘松玉等[3]研究了水泥固化处理（S/S法）处理被铅离子污染土后的污染物质淋滤特性和土体强度变化。试验结果表明，土体强度有所提高，可用于场地的回填和堤坝的填筑。席永慧、张广年等[4]通过大型模拟实验分析了水泥土墙屏障厚度和水泥掺量对重金属离子隔离效果的影响，同时应用数值模拟方法求解了锌离子在水泥土中的扩散系数。贾峥嵘[5]通过盆栽试验研究了膨润土对重金属铜污染土的修复效果,探讨了膨润土对铜污染土壤铜形态转化及对土壤酶活性、油菜生长发育、植株体内重金属铜含量的影响。

本文研究了不同配比的复合建筑材料水泥土（水泥掺量占土样5%、9%、12%）对铜吸附的动力学特征、吸附等温线型式，探讨复合型材料水泥土对铜的吸附能力，与之前国内外研究较单一的固化材料相比，具有较大的经济效益和社会意义，同时也对今后垃圾填埋场水泥土防渗墙的设计和施工提供借鉴。

2 水泥土吸附实验

2.1 试验材料

水泥土自行制备，取水泥若干，按照水泥量占土样的5%，9%，12%与土样、水掺和，并将它们用拌棒在容器中充分搅拌，混合均匀，制备成不同配比的水泥土。

水泥土在标准条件（温度为20±2℃，相对湿度为95%以上）下养护28d，然后将其磨碎并过60目筛。水泥采用海螺牌水泥，标号为425。

土样取自上海市某工地（第③层土，淤泥质粉质粘土），风干后磨细过2.5mm筛后储存待用，具体颗粒组成列在表1中。

土样颗粒级配表1

2.2 试剂和仪器

主要试剂：无水硫酸铜（CuSO4），分析纯。仪器：SHENERGYBIOCOLOR摇床（用于将水与土混合均匀）、METTLER TOLEDO分析天平（用于土样称量以及标准溶液的配制）、离心机（用于将水土分离）、电感耦合等离子发射光谱仪Agilent ICP-Agilent720ES（用于测溶液中的重金属离子浓度）。

2.3 动态吸附试验方法

使用CuSO4配制了浓度为400 m g/L的Cu2+溶液，5%、9%、12% 配比水泥土分别称重0.5g，各7份置于7个100m L塑料瓶中。每个瓶中各加入上述溶液 50m L，然后用摇床（4000r/min）将其充分震荡混合均匀，试样保持恒温（20±2℃）。在吸附阶段分别于1.5h，3h，15h，24h，48h，72h和 144h取上部清液离心，并用0.22μm滤膜过滤，滤液稀释100倍后，测定清液中的浓度，的浓度由同济大学环境科学与工程学院重点实验室利用电感耦合等离子发射光谱仪测得。

2.4 吸附等温线确定方法

5%、9%、12% 配比水泥土各称0.2g，至于一系列锥形瓶中，加入一系列已知浓度的标准溶液（浓度梯度为400m g/L，500m g/L，600m g/L，700m g/L和800m g/L）20m L。用摇床使其充分混合均匀，维持试剂恒温，平衡一定时间（以平衡时间最长的土的平衡时间为准）后测定清液中的浓度，再根据式（1）计算被固体颗粒的吸附量。

Cu2+的等温线参数和回归分析表2

式中S为平衡时吸附量(m g/g)；C0为Cu2+的初始浓度 (m g/L)；C为吸附平衡时Cu2+在水溶液中的浓度(m g/L)；V为水溶液体积 (L)；W为固体颗粒重量(g)。

3 水泥土吸附效果分析

3.1 不同配比水泥土对吸附的动力学特征

5%、9%和12%水泥土各测定7个吸附时间点溶液中的浓度，百分吸附率一时间曲线见图1。由图可知：这三种水泥土对的吸附过程是很快的，在0-3h内溶液中浓度降低较快，分别达35.19%（5%水泥土），39.67%（9%水泥土），50.28%（12%水泥土），此后速度减慢，72h后基本达到吸附平衡状态。随着水泥掺量的增多，水泥土对的吸附能力也相应增加，9%和12%的水泥土对的吸附能力相当，平衡吸附率为94.88%和99.65%，较大于5%水泥土，其平衡吸附率为76.73%。

图1 5%、9%、12%水泥土吸附Cu2+的百分吸附率-时间曲线

3.2 不同配比水泥土对最终吸附平衡率的分析

式中 a、b为常数，将式（2）改写为

图2 5%、9%、12%的水泥土吸附Cu2+的t/（C0-C）/C0-t曲线

3.3 吸附等温线型式的确定及吸附常数的计算

吸附等温线常用型式为线性等温线、Langmuir吸附等温线（见式 4）及Freundlich等温线（见式5）。

式中B为最大吸附量，为Langm uir常数，可通过式（4）的线性形式求得。

式中 Kf，n 为 Freundlich常数，可通过对方程两边取对数得出的线性形式求得。其它符号同前。

为了比较几种等温线对Cu2+吸附行为的符合情况，求解了拟合线性吸附等温线的线性回归值（R2），Langmuir常数(B，KL)及回归值（R2），Freundlich常数(Kf，n)及回归值（R2），结果见表 2。表 2的结果说明，Cu2+在5%水泥土上的吸附等温线符合Langmuir模式和Freundlich模式，在9%水泥土上的吸附等温线只符合Langmuir模式，在12%水泥土上的吸附等温线只符合Freundlich模式。结果还显示，在中高浓度下，在5%，9%和12%水泥土上的饱和吸附量分别为61.7 m g·g-1,73.5 m g·g-1和 1666m g·g-1。