安徽省礦山廢棄地分布及礦山重金屬處理實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、礦產(chǎn)資源開采，尤其是金屬礦產(chǎn)資源開采過程中，廢石、尾礦、冶煉渣、礦坑排水、選冶廢水、廢氣、煙塵中的重金屬元素都是礦區(qū)環(huán)境的重要污染源。礦山固體廢物通過風(fēng)化、氧化、淋濾等作用導(dǎo)致固體中重金屬元素逐漸釋放，使地表水、土壤和地下水受到污染。水體和土壤中的重金屬污染物不能被微生物分解，只能被富集和累積，所以，當(dāng)重金屬污染物累積到一定程度時(shí)，不但會影響生態(tài)物種，還會影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，污染農(nóng)作物、水產(chǎn)品等;另外，礦山廢棄地中以各種化學(xué)狀態(tài)或

2、化學(xué)形態(tài)存在的重金屬，在進(jìn)入環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)后就會存留、積累和遷移，通過直接接觸或食物鏈，從環(huán)境、糧食或蔬菜中富集到人體內(nèi)，直接或間接的威脅人類健康。
　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2011年底，安徽省查明儲量的金屬礦山共960余處，累計(jì)查明儲量129.9億噸，其中基建和開采礦區(qū)500余處，停采和關(guān)閉礦區(qū)250處，未利用礦區(qū)210余處，對于金屬礦山的修復(fù)治理尤其是重金屬污染的修復(fù)治理工作，也就變得尤為重要。在金屬礦產(chǎn)資源分布較多的六安、馬鞍

3、山、合肥、銅陵、池州等地，礦山廢棄地中的重金屬污染及酸性礦山廢水相對來說也比較嚴(yán)重，主要的重金屬污染元素為Cu、Cd、Hg、Pb、Zn、Cr等，尤其是Cd元素，其毒性最大，多年來一直是專家學(xué)者及政府關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　本課題組的前期研究表明，沉積型凹凸棒石粘土對部分重金屬離子具有很好的去除效果;氫氣還原針鐵礦制備鐵粉對降解硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和除磷具有很好的性能，也表現(xiàn)出優(yōu)越的還原活性;蒙脫石對重金屬離子的去除效果也廣為研究，并表現(xiàn)出很

4、好的吸附效果。所以，為了研究礦物吸附法對去除重金屬離子的作用效果，拓展凹凸棒石粘土、天然針鐵礦和蒙脫石的應(yīng)用領(lǐng)域，充分挖掘礦物的材料屬性，為環(huán)境保護(hù)開發(fā)新的功能材料，進(jìn)而更有效的防治礦山重金屬污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。本文分析了安徽省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、安徽省金屬礦產(chǎn)資源及礦山廢棄地的分布特征，根據(jù)可能產(chǎn)生的重金屬污染，研究了三種鐵粉、兩種凹凸棒石粘土和兩種蒙脫石對八種重金屬離子的去除效果及可能的去除機(jī)理。

5、　　首先對安徽省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，尤其是金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，利用Arcgis軟件分析，研究了安徽省礦產(chǎn)資源及礦山廢棄地的分布特征，確定了不同類型礦山廢棄地修復(fù)治理的重點(diǎn)區(qū)域。重點(diǎn)結(jié)合礦產(chǎn)資源開采過程中和開采后可能產(chǎn)生的重金屬污染，研究了天然針鐵礦氫還原鐵粉、合成針鐵礦氫還原鐵粉和商用鐵粉、沉積型凹凸棒石粘土、熱液型凹凸棒石粘土、鈉基蒙脫石和鈣基蒙脫石對模擬礦山重金屬污染（Pb2+、Zn2+、Cu2+、Co2+、

6、Cd2+、Hg+、Ag+、Cr6+）的去除效果。實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用偽二級吸附動力學(xué)模型分析、Langmuir和Freundlich吸附等溫式擬合、吸附熱力學(xué)分析考察了吸附時(shí)間、重金屬初始濃度、溫度等因素對七種材料去除八種重金屬離子的影響;并利用X-射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM/EDS)、透射電鏡(TEM)、紅外光譜（FT-ATR、FT-IES）、熱分析(TG/DTG)、比表面積和孔結(jié)構(gòu)等分析表征手段，對反應(yīng)前后材料進(jìn)行表征，

7、探究了各種材料的晶體結(jié)構(gòu)、成分、形貌特征及其去除重金屬離子的可能機(jī)制。主要成果總結(jié)如下:
　　1.通過對安徽省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)從累計(jì)查明儲量分布情況來看，金屬礦產(chǎn)資源儲量從大到小依次為六安、馬鞍山、合肥、銅陵、池州等，大部分為長江沿岸區(qū)域，這也是安徽省礦山廢棄地分布較廣以及重金屬污染及酸性礦山排水的重點(diǎn)防治區(qū)域。
　　2.通過XRD、TEM、SEM、TG/DTG等技術(shù)表征了天然針鐵礦氫還原鐵粉、合成針鐵礦氫

8、還原鐵粉和商用鐵粉。結(jié)果顯示，氫還原天然針鐵礦可制備納米級鐵粉，氫還原合成針鐵礦可制備百納米級鐵粉，商用鐵粉為微米級鐵粉。
　　3.研究了三種鐵粉去除重金屬離子的效果，考察了時(shí)間、初始濃度、溫度的影響。對八種重金屬離子的去除效果來說，HG-ZVI＞NG-ZVI≈CIP。HG-ZVI在去除各種重金屬離子上都優(yōu)于NG-ZVI和CIP，NG-ZVI在去除Cr6+上優(yōu)于CIP，但去除Cu2+差于CIP，分析認(rèn)為比表面積是制約CIP處理效果

9、的主要因素，天然針鐵礦中含有的雜質(zhì)、鐵的類質(zhì)同相替代以及顆粒團(tuán)聚是制約NG-ZVI的主要因素。
　　4.研究了三種鐵粉去除八種重金屬離子的可能機(jī)理。結(jié)果表明，三種鐵粉對Cu2+均具有很好的還原作用，CIP可將Cu2+迅速還原為Cu單質(zhì)，NG-ZVI、HG-ZVI先將Cu2+還原為Cu+，再進(jìn)一步還原為Cu0;NG-ZVI和HG-ZVI可迅速將Ag+還原為Ag單質(zhì)。HG-ZVI可降解Cr6+為Cr3+，從而降低毒性。三種鐵粉對Pb2

10、+、Zn2+、Co2+、Cd2+四種離子的去除主要通過吸附或沉淀作用實(shí)現(xiàn)。
　　5.通過XRD、FE-SEM/EDS、FT-ATR及FT-IES等技術(shù)手段表征了沉積型凹凸棒石粘土和熱液型凹凸棒石粘土。結(jié)果表明，沉積型凹凸棒石粘土含有少量的石英和白云石雜質(zhì)，且為富Fe凹凸棒石粘土，具有高比表面積和總孔體積;熱液型凹凸棒石粘土純度高，基本不含雜質(zhì)，比表面積和總孔體積遠(yuǎn)低于沉積型凹凸棒石粘土。
　　6.研究了沉積型凹凸棒石粘土和熱

11、液型凹凸棒石粘土去除八種重金屬離子的影響。結(jié)果表明，沉積型凹凸棒石粘土對重金屬離子的去除遠(yuǎn)優(yōu)于熱液型凹凸棒石粘土，但兩者對Cr6+的去除效果很差。分析認(rèn)為，沉積型凹凸棒石粘土的富鐵特性、高比表面積、總孔體積及短棒形貌為其去除重金屬離子提供了有利條件，如吸附位、斷面質(zhì)子化誘導(dǎo)金屬離子沉淀。吸附機(jī)理研究表明，沉積型凹凸棒石粘土主要通過誘導(dǎo)金屬離子沉淀和吸附作用去除重金屬離子。
　　7.通過XRD、TG/DTG、BET等技術(shù)表征了鈉基蒙

12、脫石和鈣基蒙脫石。結(jié)果表明，鈣基蒙脫石純度高于鈉基蒙脫石，鈉基蒙脫石中含有少量的長石和石英;鈣基蒙脫石層間水多于鈉基蒙脫石，層間距大于鈉基蒙脫石;鈣基蒙脫石比表面積和總孔體積均比鈉基蒙脫石大。
　　8.研究了鈉基蒙脫石和鈣基蒙脫石去除八種重金屬離子的影響。結(jié)果表明，鈉基蒙脫石對重金屬離子的去除效果優(yōu)于鈣基蒙脫石，但兩者對Cr6+的去除效果很差。分析認(rèn)為，效果差異性與兩種蒙脫石去除重金屬離子的機(jī)理有關(guān)。通過吸附前后溶液pH動態(tài)檢測、

13、溶液Na+或Ca2+濃度變化及吸附后固體XRD表征，結(jié)果表明，鈣基蒙脫石主要通過交換作用實(shí)現(xiàn)去除重金屬離子，鈉基蒙脫石主要通過交換作用和誘導(dǎo)沉淀作用去除重金屬離子。
　　9.三種材料去除重金屬離子的研究可知，鐵粉主要通過吸附、共沉淀作用去除Pb2+、Zn2+、Co2+、Cd2+，還原作用參與HG-ZVI去除Cu2+、Ag+和Cr6+的過程，從而去除或降低其毒性，其作用機(jī)理與蒙脫石和凹凸棒石粘土不盡相同。凹凸棒石粘土以誘導(dǎo)沉淀和吸附