壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣中Mn的固化作用及其对黑麦草生长效应

2021-08-31冯旭晗陈祖拥

腐植酸 2021年4期

冯旭晗刘方朱健陈祖拥

贵州大学资源与环境工程学院贵阳 550025

电解锰行业作为典型的湿法冶金行业，促进了地方经济快速发展，但电解锰生产过程中废水、废渣的排放也引发了环境污染问题。目前，我国大部分的电解锰生产厂家采用露天堆场处理电解锰渣，在自然降雨淋溶作用下，电解锰渣释放出大量的可溶性锰（Mn2+）、氨氮（NH4+-N）及其他重金属离子[1～3]，随着地表径流迁移而造成周边土壤及水体出现严重污染，并且对下游水生生态系统及农业生态系统造成明显的影响[3]。当前，控制电解锰渣污染物迁移，主要是对固体废渣采用固化及稳定化技术，通过施加固化剂降低Mn的生物有效性和可迁移性，从而减少电解锰渣对环境的危害性。

腐植酸（HA）具有较好的吸附、络合和螯合能力，腐植酸类材料作为稳定剂已较多应用于重金属污染水体及污染土壤修复[4～9]。壳聚糖是一种强有力的粘合剂，它作为重金属吸附剂及稳定剂也广泛应用在土壤生态修复方面[10，11]。然而，土壤修复改良剂不仅需要考虑固化重金属的能力，同时要考虑该改良剂是否影响植物的正常生长，这是废渣堆场生态修复的关键。电解锰渣中Mn、N、S等是植物生长的营养元素，其含量过低或过高均会影响植物生长，但它们大量淋溶迁移，又会影响锰渣堆场周边的水环境质量，特别是Mn。因此，本研究以黑麦草为对象，通过利用改性腐植酸-壳聚糖复合材料对电解锰渣中的Mn进行固化，探究改性腐植酸-壳聚糖复合材料对锰渣中Mn淋溶迁移的调控效果以及对黑麦草生长的影响，为锰渣堆场的生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

山西大同褐煤（腐植酸含量52.0%）、壳聚糖（脱乙酰度≥95%）为市场购买，将褐煤自然风干后磨细过60目筛备用。电解锰渣采自贵州铜仁松桃县某电解锰厂，供试土壤为电解锰渣堆场周边由碳酸岩发育的石灰性土壤，将采集的锰渣及土壤样品在实验室自然风干过1 mm筛后保存备用。供试草种为多年生黑麦草。电解锰渣和供试土壤的基本性质见表1。

表1 供试材料的基本性质Tab.1 Basic properties of test materials

1.2 改性腐植酸材料的制备

取褐煤和氢氧化钠按质量比5∶1混合，加适量蒸馏水后搅拌混匀，静置24 h。取上清液用10%的盐酸调节溶液pH=2，搅拌混匀后静置24 h。用真空泵抽滤得到滤渣，用蒸馏水反复洗涤抽滤至溶液呈中性，把滤渣在电热鼓风机中90 ℃烘干至恒重，即得到不溶性腐植酸，再将其置于马弗炉中330 ℃下灼烧1 h，使其快速脱水，在2 mol/L 氯化钙溶液中浸泡2 h后过滤，然后用1 mol/L硝酸钠溶液和蒸馏水反复洗涤，所得固体在80 ℃下干燥后存放[12，13]。

1.3 壳聚糖-改性腐植酸复合材料的制备

称取6 g壳聚糖溶解于100 mL体积分数为5%醋酸溶液中，加入2 mL环氧氯丙烷，机械搅拌4 h后加入6 g不溶性腐植酸粉末，继续高速搅拌30 min制得均匀糊状物，通过蠕动泵将上述糊状物滴加到置于磁力搅拌器上的0.2 mol/L NaOH溶液中，放置24 h，用蒸馏水洗涤糊状物至中性后烘干，常温下密封保存[14]。

1.4 壳聚糖-改性腐植酸复合材料对Mn的固化效率

将褐煤、改性腐植酸、壳聚糖-改性腐植酸复合材料按照10%比例加入电解锰渣中，并设置未添加材料的锰渣为空白对照组，混合后保持50%的含水率，每组设置两个平行样，培养30天，在1、4、7、14、21、28天分别取样烘干，按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平震荡法》（HJ 577-2009），称1 g样品加入浸提剂（纯水）30 mL，在室温下振荡8 h后静置16 h，用0.45微孔过滤头过滤，用火焰原子吸收光谱仪测定浸出液中Mn的浓度。材料对Mn的固化效率（η）由下式确定：

式中：Ck——空白组Mn的浸出浓度（mg/L）；

Ce——材料与锰渣反应平衡后Mn的浸出浓度（mg/L）。

1.5 性能表征

采用日本电子株式会社公司生产的场发射扫描电子显微镜（JSM-2100F）对样品微观形貌（SEM）进行观察；将样品与KBr粉末按一定比例混合研磨，常温压片后进行红外光谱测试（FTIR），测试波长为400～4000 cm-1；采用比表面及孔容孔径分析仪（康塔Autosorb-iQ）测定样品的比表面积（BET）及孔径、孔体积。

1.6 盆栽试验

为探讨壳聚糖-改性腐植酸复合材料在锰渣堆场生态修复中应用的可行性，采用盆栽试验研究其对锰渣中Mn淋溶迁移及对黑麦草生长的影响。先将电解锰渣和土壤按7∶3比例进行混合形成锰渣-土壤混合基质，再将壳聚糖-改性腐植酸复合材料（按照5%、10%、15%的比例）均匀施入到锰渣-土壤混合基质中，在构建的锰渣-土壤混合基质上种植多年生黑麦草。盆栽试验设4个处理，即对照处理CK（未添加壳聚糖-改性腐植酸复合材料的锰渣）、处理1（添加5%壳聚糖-改性腐植酸复合材料）、处理2（添加10%壳聚糖-改性腐植酸复合材料）、处理3（添加15%壳聚糖-改性腐植酸复合材料），每个处理3次重复。盆钵采用（上下内径分别为10.5 cm和7.5 cm，高11.5 cm）可漏水的塑料盆，盆底部装有塑料桶接收渗透水。播种后每天早中晚各喷洒浇溉一次蒸馏水（30 mL），在黑麦草生长的第1、4、7、14、21、28天分别收集渗透水样品，每次取100 mL渗透水用0.45微孔滤膜过滤后待测溶液中Mn的浓度，同时将塑料桶内渗透水倒掉，重新进行下次水样收集。

1.7 测定方法

黑麦草生长28天后测定株高（叶片拉直后最大高度）及生物量（地上部及根系）。生物量测定是将每盆黑麦草摘取后，先用自来水冲洗去除粘附于黑麦草样品上的泥土，再用去离子水冲洗，滤纸吸干表面水分后在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃烘干至恒重后称重。同时将其地上部和地下部粉碎制备成植物样品，采用HNO3-HClO4消煮，然后用原子吸收分光光度计进行Mn含量测定。

1.8 数据分析

用SPSS 22.0及 Excel 2007进行数据的处理与分析，用Origin进行数据与图表分析。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖-改性腐植酸复合材料特性及其对电解锰渣中Mn的固化效果

通过扫描电镜（SEM）测试研究褐煤和壳聚糖-改性腐植酸复合材料形貌结构的变化，如图1所示，可以看出，褐煤表面较为平滑，孔洞较少，而经过一系列改性及复合后制备的壳聚糖-改性腐植酸复合材料的表面变得粗糙，且孔洞增加，使得吸附能力增加，致使材料对Mn的固化效率提升。

图1 褐煤（A）和壳聚糖-改性腐植酸复合材料（B）SEM对比Fig.1 SEM comparison of lignite (A) and the chitosanmodified humic acid composite material (B)

从褐煤和壳聚糖-改性腐植酸复合材料比表面积及孔径、孔体积的变化看出，褐煤经过提取腐植酸，高温活化再与壳聚糖进行复合后材料表面更多的细微孔隙被打开，使得壳聚糖-改性腐植酸复合材料与未改性褐煤相比表面积和孔容都有了较大的提升，其比表面积达4.490 m2/g、平均孔径为3.795 nm、平均孔体积是0.008 cm3/g；分别比褐煤提高了56.83%、114.64%和166.67%。从褐煤和壳聚糖-改性腐植酸复合材料的红外光谱图可知（图2），3800～3000 cm-1为-OH吸收振动区，羟基是煤分子形成氢键的主要官能团，它与不同的氢键受体可形成不同类型的氢键，而壳聚糖-改性腐植酸复合材料的羟基波峰发生右移至3371.32 cm-1处。3000～2800 cm-1为脂肪族C-H的吸收振动区，2924 cm-1处归属于-CH2的不对称伸缩和对称伸缩振动吸收峰。1800～1000 cm-1为含氧官能团区，此区是除羟基在3400 cm-1附近外，羰基、羧基和醚氧的聚集区，该区域内还有C=C伸缩振动、-CH2和-CH3的弯曲振动和各种C=O的伸缩振动[15，16]。而含氧官能团区是吸附重金属的重要影响区，壳聚糖-改性腐植酸复合材料的亲水官能团（羟基、醚键）的振动强度增强，说明壳聚糖-改性腐植酸复合材料亲水性提高；此外，壳聚糖-改性腐植酸复合材料的含氧官能团震动增强，从而提高了复合材料对重金属的吸附能力。可见，壳聚糖-改性腐植酸复合材料的吸附效率明显优于褐煤。

图2 褐煤和壳聚糖-改性腐植酸复合材料傅里叶红外光谱对比Fig.2 FTIR comparison of lignite and the chitosan-modified humic acid composite material

壳聚糖-改性腐植酸复合材料对电解锰渣中Mn的固化效率随时间的变化特征见图3。由图中可知，在第1天、第4天时，壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣中Mn固化效率影响不大，在第4天时，壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣中Mn的固化效率为42.7%，这是因为电解锰渣中Mn在实验初期溶出率不高。从第7天开始，固化效率开始大幅提升，至第28天时，褐煤、改性腐植酸、壳聚糖-改性腐植酸复合材料的固化效率分别达47.6%、56.8%、79.6%。可见，壳聚糖-改性腐植酸复合材料的固化效果较好，对锰渣中Mn的固化效率随时间的增加而增大，在第28天时对Mn的固化效率达79.6%。

图3 不同时间下褐煤、改性腐植酸和壳聚糖-改性腐植酸复合材料对Mn浸出浓度的影响Fig.3 Effects of lignite, modified humic acid and chitosan-modified humic acid composite material on the Mn leaching concentration at different times

2.2 壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣-土壤混合基质上黑麦草生长及植株吸收Mn的影响

播种后对多年生黑麦草在锰渣-土壤混合基质上的株高及其生物量进行记录和测定。由表2可以看出，锰渣-土壤混合基质添加壳聚糖-改性腐植酸复合材料后黑麦草的株高及其生物量与对照有显著性差异，在第28天时，处理1黑麦草的株高及其生物量最大，分别比对照平均提高了56.71%、175.61%；而处理2和处理3间黑麦草株高无显著差别，处理2和处理3间黑麦草生物量差异显著。可见，在锰渣-土壤混合基质中施用适量的壳聚糖-改性腐植酸复合材料能够明显促进黑麦草的生长。

表2 不同处理下黑麦草的株高和生物量Tab.2 Plant height and biomass of ryegrass under different treatments

不同处理下黑麦草地上部和地下部对Mn的吸收累积特点见图4。植物地下部Mn含量明显高于地上部Mn含量，说明根系是黑麦草富集Mn的主要器官。由图可知，添加壳聚糖-改性腐植酸复合材料处理均与对照呈显著性差异，处理1黑麦草对锰渣-土壤混合基质中Mn的吸收累积量（植株Mn含量×生物量）达到最大，地上部和地下部（根系）的吸收累积量可达到6.03 mg和2.24 mg，相对于对照提升了5.29倍和3.11倍，但随着壳聚糖-改性腐植酸复合材料投加量的增加，则开始出现抑制效应。

图4 不同处理下黑麦草地上部和地下部Mn的含量Fig.4 Mn content in the aboveground and belowground of ryegrass under different treatments

2.3 壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣-土壤混合基质中Mn淋溶迁移的影响

壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度的影响趋势如图5所示。第一天CK组中Mn浓度高达3504.8 mg/L，远远超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准；加入了不同比例的壳聚糖-改性腐植酸复合材料（处理1，处理2，处理3），在黑麦草的耦合作用下，锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度均低于对照值，减少比例为29.2%～39.6%。随着淋溶天数的增加，淋溶液中Mn浓度逐渐降低，在第7天时，空白对照Mn浓度下降53.7%，在第14天时下降了69.3%，第28天CK组渗滤液中Mn浓度为516.3 mg/L；而施加了壳聚糖-改性腐植酸复合材料的锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度出现大幅度下降，下降比例为67.4%～83.7%。其中，处理1效果最佳，锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度为84.1 mg/L，下降比例为83.7%。

图5 不同处理下锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度的变化Fig.5 The change of Mn concentration in the leachate of mixed matrix of manganese slag and soil under different treatments

2.4 壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰固定的机理分析

由壳聚糖-改性腐植酸复合材料对电解锰渣中Mn的固化效率看出，其固化效率随着时间的增加逐步增加，第28天时对Mn的固化效率达到79.6%。通过各种表征手段研究发现褐煤、壳聚糖-改性腐植酸复合材料使得表面孔隙增多，比表面积增大，含氧官能团振动增强，使得材料对Mn的固化效率提升。故将壳聚糖-改性腐植酸复合材料施加到电解锰渣中后发现，壳聚糖-改性腐植酸复合材料能明显减少电解锰渣中Mn的淋溶迁移，这种效果一方面是壳聚糖-改性腐植酸复合材料对锰的固化作用，说明壳聚糖-改性腐植酸复合材料是通过改性腐植酸和壳聚糖共同作用下对Mn进行固化，一些实验也表明改性腐植酸具有较强的固化能力[15，16]。壳聚糖在吸附重金属方面已有较多的研究[14，17]，壳聚糖对多种重金属都具有良好的吸附效果，是因为壳聚糖聚合物中含有大量官能团如酰胺基、胺基和羟基，这些易化学反应性官能团和聚合物链的多功能性解释了其良好的金属吸附性能。Li等[18]制备了由季铵盐修饰的壳聚糖吸附剂，用于去除Cr（VI），结果表明，强阳离子基团富集改性壳聚糖对Cr（VI）的吸附能力优良，所以说制备的复合材料对锰渣中的Mn有较好的固化能力。

另一方面，黑麦草生长过程中植株对锰的吸收也起重要作用。本研究表明，与空白对照对比发现，壳聚糖-改性腐植酸复合材料的加入使得黑麦草对锰渣-土壤混合基质中Mn的吸收累积量大幅提升，其地上部与地下部相对于空白对照提升了5.29倍和3.11倍，这种植物累积作用主要是添加壳聚糖-改性腐植酸复合材料大大增加了黑麦草生物量，从而提高了锰渣-土壤混合基质中有效性Mn向植物体转移量，减少了Mn的淋溶迁移及其对水环境的影响。壳聚糖是一种植物生长调节剂，能提高种子的发芽率和实生苗株高，加速种子萌发过程中胚乳淀粉的水解，为种子的萌发提供充足的养分，有利幼苗生长，达到增产目的[9]。然而，本研究通过壳聚糖-改性腐植酸复合材料与黑麦草的耦合作用，在黑麦草生长将近一个月后锰渣-土壤混合基质渗滤液中Mn浓度依然达84.1 mg/L，远远高于工业废水排放标准。因而，从水环境保护的角度来看，还需对壳聚糖-改性腐植酸复合材料在电解锰渣中适宜添加量及安全阈值做进一步的实验研究，才能全面评价壳聚糖-改性腐植酸复合材料与黑麦草的耦合作用及其生态效应。