本發(fā)明屬于環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法，具體地說，涉及一種利用硅基礦物材料自縫合過程穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法。
背景技術(shù)：
由于有色金屬的開采和冶煉產(chǎn)生大量含有重金屬的礦渣，其所含重金屬在地表堆積過程中會向周邊的土壤和水體釋放大量的重金屬污染物。當(dāng)前，土壤和水體重金屬污染是全球所面臨的重大環(huán)境問題之一。
目前治理鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬污染土壤或水體的方法很多，主要有生物修復(fù)技術(shù)，物理修復(fù)技術(shù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)主要有植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵之一是找到對單一或多種(復(fù)合)重金屬具有特殊吸收富集能力的超富集植物或微生物，該技術(shù)的關(guān)鍵之二是如何快速繁殖具有較大生物量的超富集植物或微生物。鑒于具有特殊吸收富集能力的超富集植物或微生物物種稀少，且大多生長環(huán)境特殊且生物量較小，因此該技術(shù)的修復(fù)周期漫長且可操作性不強，難以快速高效降低重金屬的環(huán)境危害。陽離子型重金屬污染水體的物理修復(fù)技術(shù)包括電動富集分離法、膜分離法、穩(wěn)定劑添加法等，但電動富集分離法和膜分離法需要獨特裝置且能耗較高，而且存在引起二次污染的風(fēng)險。陽離子型重金屬污染土壤或礦渣的物理修復(fù)技術(shù)包括電動富集分離法、客土法、高溫?zé)崽幚矸?、回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法、穩(wěn)定劑添加法等。但電動富集分離法、高溫?zé)崽幚矸盎剞D(zhuǎn)窯燒結(jié)法等需要獨特裝置且能耗較高，而客土法則需要清潔的土壤回填，工程代價較高，且原有污染土壤仍需要進一步進行修復(fù)治理。陽離子型重金屬污染水體的化學(xué)修復(fù)方法包括化學(xué)沉淀、化學(xué)提取等技術(shù)，具有較好的修復(fù)效果，但是對于痕量的污染物則去除能力有限。陽離子型重金屬污染土壤或礦渣的化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要為化學(xué)淋洗法、化學(xué)穩(wěn)定劑添加法等，這些法等需要獨特裝置和化學(xué)試劑，工程代價較高，且操作運行復(fù)雜，并存在引起二次污染的風(fēng)險，甚至?xí)茐耐寥赖慕Y(jié)構(gòu)而使土壤失去種植能力。而客土法則需要清潔的土壤回填，且原污染土壤仍需要進一步進行修復(fù)治理。
相比而言，穩(wěn)定劑添加法由于穩(wěn)定劑的選擇范圍較寬、工程代價較低、操作運行簡單、不存在二次污染等優(yōu)點，在具有適宜穩(wěn)定劑的情況下，則具有高效的污染土壤或水體或礦渣重金屬穩(wěn)定修復(fù)能力。當(dāng)前對于需要穩(wěn)定化的重金屬介質(zhì)(土壤、礦渣等)常是將其與碳酸鹽物質(zhì)石灰和黏土相混合，然后直接填埋處理。但是經(jīng)過這樣處理的含重金屬混合物仍具有一定的不穩(wěn)定性，重金屬在碳酸鹽體系中仍具有一定的淋溶能力。但如何進一步降低修復(fù)后的含有重金屬的穩(wěn)定劑中重金屬的淋溶釋放能力，仍是促使該技術(shù)大面積推廣普及的關(guān)鍵。
沸石，是一類天然的硅鋁酸鹽礦石，最早發(fā)現(xiàn)于1756年。沸石的一般化學(xué)一般化學(xué)式為CmDpO2p·nH2O，結(jié)構(gòu)式為A(x/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)，其中：C為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子，D為Al和Si，p為陽離子化合價，m為陽離子數(shù)，n為水分子數(shù)，x為Al原子數(shù)，y為Si原子數(shù)，(y/x)通常在1～5之間，(x+y)是單位晶胞中四面體的個數(shù)。自然界已發(fā)現(xiàn)的沸石有80多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸石、片沸石、鈉沸石、絲光沸石、輝沸石等，它們的共同特點就是具有空腔架狀結(jié)構(gòu)，即在它們的晶體內(nèi)，陽離子氧化物鋁硅酸鹽骨架分子按照一定規(guī)律連在一起，中間形成很多空腔，這些空腔賦予了沸石豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，沸石成為可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料，因而沸石也是分子篩的一種。沸石可以通過C陽離子與鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子發(fā)生離子交換，而促使其對鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子的吸附實現(xiàn)其穩(wěn)定。
膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的天然非金屬礦產(chǎn)，膨潤土具有強的吸濕性和膨脹性及吸附性。蒙脫石結(jié)構(gòu)是由兩個硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的2：1型晶體結(jié)構(gòu)，由于蒙脫石晶胞形成的層狀結(jié)構(gòu)存在某些陽離子，如Ca、Mg、Na、K等，且這些陽離子與蒙脫石晶胞的作用很不穩(wěn)定，易被其它陽離子交換，因此也具有較好的離子交換性。
水溶性硅基礦物材料，硅酸鈉，化學(xué)式Na2SiO3·9H2O，是一種水溶性硅酸鹽，也是一種礦物黏合劑，具有粘結(jié)力強、強度較高，耐酸堿性好和耐熱性好的特點。
將沸石、膨潤土和硅酸鈉進行比例組合，利用礦物自縫合過程穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法尚未見過相關(guān)報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法，旨在彌補現(xiàn)有重金屬污染水體或土壤或礦渣的治理方法中的異位穩(wěn)定化技術(shù)存在的長期效果不好、甚至存在引起二次污染的危險的問題。該方法達到減少環(huán)境介質(zhì)中重金屬陽離子淋出的目的，能同時穩(wěn)定多種污染物、費用低、效果好、可操作性強、不引起二次污染、美化環(huán)境，可大面積推廣應(yīng)用。
其具體技術(shù)方案為：
一種穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法，包括以下步驟：
S101、在含鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬的水體、土壤或礦渣中加入A藥劑，利用A藥劑發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附及離子交換能力，使得水體、土壤或礦渣中遷移性較強的重金屬陽離子轉(zhuǎn)入A藥劑的孔隙或者礦物結(jié)構(gòu)中；
S102、當(dāng)水體、土壤或礦渣中遷移性較強的重金屬陽離子轉(zhuǎn)入A藥劑的孔隙或者礦物結(jié)構(gòu)中并穩(wěn)定一段時間后，再將B藥劑加入，根據(jù)B藥劑在自然條件下的變質(zhì)過程生成的Na2CO3促使鉛鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子形成難溶于水的沉淀而沉積于A藥劑的表面或孔隙或礦物結(jié)構(gòu)中，變質(zhì)生成的H2SiO3會進一步對A藥劑進行包裹縫合，使得重金屬陽離子被包裹縫合在A藥劑的礦物結(jié)構(gòu)中；
S103、重復(fù)B藥劑的添加過程，直到從含重金屬水體中分離的A藥劑或與A藥劑充分混合穩(wěn)定后的土壤和礦渣中重金屬的淋出含量滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或工程要求。
所述環(huán)境介質(zhì)是指水體或土壤或礦渣，所述重金屬污染物指含有鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬的單一污染或復(fù)合污染形式。
在含重金屬陽離子的水體或土壤或礦渣中加入一定量的A藥劑，穩(wěn)定一段時間后，再加入B藥劑，通過礦物材料的自縫合，達到減少環(huán)境介質(zhì)中重金屬離子淋出的過程；
添加的A藥劑為沸石和膨潤土質(zhì)量比介于1：5～1：1之間的沸石和膨潤土的混合物，添加的B藥劑為水溶性的硅基礦物材料硅酸鈉。
進一步，對于含陽離子重金屬水體而言，添加的A藥劑用量以重金屬質(zhì)量的50～100倍為宜；環(huán)境溫度維持在15～35℃范圍內(nèi)，pH高于4.0，充分?jǐn)嚢璨簧儆?小時后，靜置或離心或過濾分離固體殘渣，獲得與重金屬陽離子接觸的A藥劑礦物顆粒。
進一步，對于含陽離子重金屬土壤和礦渣而言，需事先將土壤挖出并破碎成粉(粒徑小于60目，含水率低于20％)，然后添加的A藥劑用量以土壤質(zhì)量的1％～5％為宜，A藥劑中沸石和膨潤土的質(zhì)量比例介于1：5～1：1之間，充分混勻后，噴灑水使混合物水分含量在20％～30％之間，再在環(huán)境溫度15～35℃的范圍內(nèi)靜置一周，獲得與重金屬陽離子接觸的A藥劑礦物顆粒和重金屬污染土壤混合物。
進一步，獲得經(jīng)過A藥劑處理或培養(yǎng)的固體混合物后，再加入一定比例的水溶性B藥劑礦物材料，根據(jù)條件可以直接加入或噴灑，然后再充分混合均勻。
進一步，對于含陽離子重金屬水體而言，添加的B藥劑用量以A藥劑質(zhì)量的0.1～2倍為宜；對于含陽離子重金屬土壤和礦渣而言，添加的B藥劑用量以A藥劑用量的5～10倍為宜；然后充分混合后，使固體的堆積層厚度不超過50cm,環(huán)境溫度15～35℃的范圍內(nèi)靜置一周。有條件進行期間每天翻堆一次效果更好。
進一步，根據(jù)含重金屬水體、土壤和礦渣的組成和存在形式及對穩(wěn)定化處理后的重金屬淋出能力的具體要求不同，可重復(fù)加入B藥劑1～3次，直至重金屬的水提取淋出含量滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或淋出要求。
進一步，所述環(huán)境介質(zhì)是指水體或土壤或礦渣，所述重金屬污染物指含有鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬的單一污染或復(fù)合污染形式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
1、本發(fā)明所采用的礦物材料為市場容易購買獲得的價格低廉的沸石、膨潤土和硅酸鈉。該材料為天然礦物，容易獲得，為降低重金屬污染環(huán)境的修復(fù)治理提供了方便的修復(fù)材料。
2、本發(fā)明所述采用的硅基礦物材料硅酸鈉，是一種水溶性硅酸鹽，是一種礦物黏合劑，具有粘結(jié)力強、強度較高，耐酸堿性好和耐熱性好的特點。將A藥劑和B藥劑按照順序配合使用，利用B藥劑變質(zhì)過程的特點，可使得重金屬陽離子在B藥劑自縫合的過程被牢固包裹縫合在A藥劑的礦物結(jié)構(gòu)中。
3、本發(fā)明相比于傳統(tǒng)技術(shù)，具有更好的重金屬穩(wěn)定效果，且本發(fā)明具有能同時去除多種污染物、費用低、效果好、可操作性強、不引起二次污染、保持水土、美化環(huán)境等優(yōu)點，可大面積推廣應(yīng)用。
附圖說明
圖1是穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法的流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。
如圖1所示，一種穩(wěn)定環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的方法，包括以下步驟：
S101、在含鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬的水體、土壤或礦渣中加入A藥劑，利用A藥劑發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附及離子交換能力，使得水體、土壤或礦渣中遷移性較強的重金屬陽離子轉(zhuǎn)入A藥劑的孔隙或者礦物結(jié)構(gòu)中；
S102、當(dāng)水體、土壤或礦渣中遷移性較強的重金屬陽離子轉(zhuǎn)入A藥劑的孔隙或者礦物結(jié)構(gòu)中并穩(wěn)定一段時間后，再將B藥劑加入，根據(jù)B藥劑在自然條件下的變質(zhì)過程生成的Na2CO3能促使鉛鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子形成難溶于水的沉淀而沉積于A藥劑的表面或孔隙或礦物結(jié)構(gòu)中，變質(zhì)生成的H2SiO3會進一步對A藥劑進行包裹縫合，使得重金屬陽離子被包裹縫合在A藥劑的礦物結(jié)構(gòu)中；
S103、重復(fù)B藥劑的添加過程，直到從含重金屬水體中分離的A藥劑或與A藥劑充分混合穩(wěn)定后的土壤和礦渣中重金屬的淋出含量滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或工程要求。
所述環(huán)境介質(zhì)是指水體或土壤或礦渣，所述重金屬污染物指含有鉛鎘銅鋅鎳等陽離子型重金屬的單一污染或復(fù)合污染形式。
實施例
在陜西鳳縣某重金屬污染的農(nóng)田土壤、礦渣區(qū)和礦渣淋出廢水中進行了試驗研究，該污染區(qū)土壤中銅、鎘、鉛、鋅及鎳的平均含量分別為83.2mg/kg、4.3mg/kg、168.1mg/kg、2441.7mg/kg及34.8mg/kg，該污染區(qū)礦渣中銅、鎘、鉛、鋅及鎳的平均含量分別為207.5mg/kg、24.1mg/kg、336.0mg/kg、4731.2mg/kg及39.4mg/kg，該污染區(qū)礦渣淋出廢水中銅、鎘、鉛、鋅及鎳的平均含量分別為0.34mg/L、0.41mg/L、0.60mg/L、3.0mg/L及0.15mg/L，pH 2.8。在處理前，先將礦渣淋出廢水pH調(diào)節(jié)到4.0～9.0之間，土壤和礦渣直接破碎成粒徑小于60目、含水率低于20％的粉末。
然后，在1升礦渣淋出廢水中，添加A藥劑0.22～0.45g，充分?jǐn)嚢璨簧儆?小時后，過濾分離固體殘渣，獲得與重金屬陽離子接觸的A藥劑礦物顆粒。然后添加0.2～0.9的B藥劑，然后充分混合后15～35℃的范圍內(nèi)靜置一周?？p合處理后的含重金屬混合物分別經(jīng)《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T300-2007)、《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》《HJ/T299-2007》和《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》《HJ557-2009》進行重金屬淋溶測試，淋出液中銅、鎘、鉛、鋅及鎳的含量均低于《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3-2007)的限值，有些甚至低于Thermo Scientific CAP6000型等離子體發(fā)射光譜儀的檢測限。
在1000g直接破碎成粉的土壤和礦渣中，添加A藥劑1～5g，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，噴灑水使混合物水分含量?0％～30％之間，然后再充分混合，并在15～35℃的范圍內(nèi)靜置一周。然后添加5～50g的B藥劑，再充分混合，并在15～35℃的范圍內(nèi)靜置一周。縫合處理后的含重金屬混合物分別經(jīng)《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T300-2007)、《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》《HJ/T299-2007》和《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》《HJ557-2009》進行重金屬淋溶測試，淋出液中銅、鎘、鉛、鋅及鎳的含量均低于《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3-2007)的限值，有些甚至低于Thermo Scientific CAP6000型等離子體發(fā)射光譜儀的檢測限。
進一步對處理后的物質(zhì)進行掃描電鏡和能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理的含重金屬礦物固體顆粒中，鉛鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子形成難溶于水的沉淀而沉積于A藥劑的表面或孔隙或礦物結(jié)構(gòu)中，而B藥劑在自然條件下的變質(zhì)生成的H2SiO3會進一步對A藥劑進行包裹縫合，使得重金屬陽離子被包裹縫合在A藥劑的礦物結(jié)構(gòu)中。
該試驗表明，A藥劑和B藥劑配合使用，對環(huán)境介質(zhì)中的易遷移的鉛鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子具有良好的穩(wěn)定作用，利用水溶性硅基B藥劑礦物變質(zhì)過程的自縫合特點，能進一步促使環(huán)境介質(zhì)中陽離子重金屬污染物的穩(wěn)定，可用于修復(fù)治理鉛鎘銅鋅鎳等重金屬陽離子單一污染和復(fù)合污染的水體、土壤和礦渣。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，本發(fā)明的保護范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。