生物炭负载纳米羟基磷灰石修复铅污染土壤的研究

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2014年全国土壤污染状况调查公报显示,全国土壤总点位超标率为16.1%,耕地土壤点位超标率为19.4%,其中铅重金属点位超标率为1.5%。土壤铅污染已非常严重,急需开发绿色、高效、经济的土壤修复技术。近年来,纳米羟基磷灰石(nHAP)具有比表面积大,离子交换能力强,高稳定性,对重金属钝化效率高等优点,被广泛应用于土壤重金属污染修复。但是nHAP的施用可能会给土壤环境带来负面影响,例如降低土壤有机质含量、造成营养元素失衡等。此外,nHAP在土壤中易团聚,导致流动性降低,无法对深层土壤进行修复。因此,提高纳米羟基磷灰石的流动性,同时降低其环境风险,对拓宽纳米羟基磷灰石对土壤重金属污染修复的应用具有重要意义。  本文以生物炭为载体,制备出一种高效、低成本的生物炭负载型纳米羟基磷灰石(nHAP@BC)用于铅污染土壤的修复。在材料特性方面,利用扫描电镜、比表面积分析和红外光谱对材料进行表征,通过硅砂柱实验比较材料的流动性。在铅污染土壤修复方面,研究通过比较生物炭、nHAP和复合材料在不同投加量和修复时间下对铅的修复效果,从而确定最佳投加量和最佳修复时间。在毒理学方面,采用化学提取法(PBET、SEP)考查修复后土壤中铅的稳定性和生物可利用性,并分析修复前后土壤特性的变化,揭示材料修复机理。最后,通过芥兰幼苗生长实验探究修复前后的铅污染土壤对植物幼苗生长的影响。  柱实验结果表明nHAP经生物炭负载后,流动性大大增加。批量修复实验结果表明,BC、nHAP和nHAP@BC的最佳投加量分别为10%、8%和8%,最佳修复时间为28d。修复28d后,8%的nHAP、nHAP@BC对Pb的稳定化率分别为72%和58%,nHAP@BC的单位固铅量为nHAP的5.6倍,说明复合材料可大大降低修复成本。毒理学研究表明,nHAP@BC修复后的土壤中残渣态Pb含量增加了61.4%,生物利用率大大降低。在光照培养箱中进行植物生长实验,结果表明经nHAP@BC修复后土壤中铅在芥兰中的蓄积和迁移能力降低了31.4%,同时土壤的肥效性得到一定程度的提高。盆栽实验的结果也同样证实了nHAP@BC可以大大降低铅向植物体的迁移能力,修复后土壤中芥兰可食部分铅含量低于国家蔬菜铅含量的限量要求(0.3mg/kg),修复后的土壤能再用于耕作。nHAP@BC应用于铅污染土壤修复,既提高了土壤有机质含量,又避免了磷元素的过度析出。该方法在铅污染土壤场地修复中具有较大潜力。
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