聚環(huán)氧琥珀酸對污泥中重金屬的萃取過程及機理研究.pdf

1、污泥中重金屬的污染是影響其資源化利用的關(guān)鍵問題，如何應(yīng)用綠色化學(xué)的理論解決土壤及污泥中的重金屬污染問題是環(huán)境科學(xué)研究的熱點之一。本文在國家自然科學(xué)基金項目(No.50478103)的支持下，根據(jù)國際上綠色化學(xué)的發(fā)展趨勢，針對城市工業(yè)廢水污泥中重金屬含量較高的特征，以上海市桃浦污水廠污泥為對象，重點研究了易生物降解的聚環(huán)氧琥珀酸(Poly-epoxy-succinic Acid，簡稱PESA)對污泥中重金屬的分離過程，并從溶液配

2、位化學(xué)的角度研究了聚環(huán)氧琥珀酸與典型重金屬離子的相互作用機理，提出了用環(huán)境友好的聚環(huán)氧琥珀酸治理城市污泥重金屬污染的修復(fù)技術(shù)。并針對礦區(qū)附近土壤普遍受重金屬污染的環(huán)境現(xiàn)狀，以福建省三明地區(qū)實際受重金屬污染土壤為對象，研究了污染土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。論文可以為受重金屬污染的污泥或土壤的治理及修復(fù)提供理論指導(dǎo)和實際技術(shù)支持。論文主要分為四部分：(Ⅰ)PESA(聚環(huán)氧琥珀酸)與典型重金屬離子相互作用機理的研究；(Ⅱ)PES

3、A對污泥中重金屬的分離過程研究；(Ⅲ)EDDS(S，S-ethylenediaminedisuccinic Acid，乙二胺二琥珀酸)、EDTA(Ethylene Diamine TetraaceticAcid，乙二胺四乙酸)與PESA對重金屬分離作用的比較研究；(Ⅳ)污染土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。第一部分：聚環(huán)氧琥珀酸與典型重金屬離子相互作用機理的研究利用pH電位滴定和先進的BEST數(shù)據(jù)處理程序，研究了PESA與典型重

4、金屬離子Zn2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+、Cu2+之間的配位化學(xué)作用，得到了PESA的酸離解常數(shù)、相應(yīng)配合物的穩(wěn)定常數(shù)及不同pH下各種配合物的形態(tài)分布圖。研究結(jié)果表明：(1)將PESA簡化為具有五個結(jié)構(gòu)單元的二級電離模型的誤差σ較小，且模擬滴定曲線與實驗滴定曲線的符合程度較好，所得的pKa1=4.68、pKa2=4.92，說明實驗所設(shè)計的配位化學(xué)模型比較合理，結(jié)果準(zhǔn)確。表明通過合理配位化學(xué)模型的建立來處理PE

5、SA的酸離解及其與重金屬離子間的配位化學(xué)作用是可行的。(2)從溶液配位化學(xué)角度講，PESA與重金屬離子有較強的結(jié)合能力。按形成的主要配合物種ML來看，Zn2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+、Cu2+與PESA 配位能力大小的順序為Cu2+＞Cr3+＞Cd2+＞Zn2+＞Ni2+＞Pb2+。第二部分：聚環(huán)氧琥珀酸對污泥中重金屬的分離過程研究以上海市桃浦污水廠污泥為研究對象，研究了聚環(huán)氧琥珀酸對污泥中重金屬的萃取作用，

6、重點考察了萃取體系pH值、萃取劑用量、萃取時間、萃取溫度、重金屬的存在形態(tài)、添加H2O2、添加H3PO4等條件對重金屬萃取的影響。研究發(fā)現(xiàn)： (1)PESA對污泥中的重金屬具有較好的萃取效果，當(dāng)PESA與污泥中重金屬總量的摩爾比為2∶1且pH=4的條件下，PESA對污泥中目標(biāo)重金屬的綜合萃取效果最好，此時PESA對污泥中各重金屬的萃取效率由大到小的順序為：Cd＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr，對應(yīng)的萃取率分別為78％、73％、

7、72％、60％、54％、36％。(2)重金屬與PESA配合物的穩(wěn)定性、PESA用量、萃取體系pH值、萃取時間、萃取溫度、重金屬的存在形態(tài)等是影響污泥中重金屬萃取的重要因素。BCR(European Community Bureau of Reference，簡稱BCR)連續(xù)提取法表明，PESA萃取污泥中的重金屬主要是從水溶態(tài)、酸溶態(tài)、可還原態(tài)三種形態(tài)中提取，可氧化態(tài)可實現(xiàn)部分萃取。(3)H2O2對污泥中的Ni、Cu、Zn有較

8、好的分離作用，H2O2和PESA復(fù)合體系對污泥中Cu的分離有明顯的促進作用。(4)低濃度的H3PO4對污泥中的重金屬Zn、Cd、Ni具有很好的分離作用，H3PO4與PESA復(fù)合體系對Pb的分離有明顯的促進作用。第三部分：EDDS、EDTA與PESA對重金屬分離作用的比較研究以上海市桃浦污水廠污泥為實驗材料，在萃取劑與重金屬總量的摩爾比為1∶1和10∶1以及調(diào)節(jié)萃取體系pH值的條件下，比較研究了EDDS、EDTA與PESA對重

9、金屬的分離作用。實驗結(jié)果表明：(1)EDTA在實驗pH值范圍內(nèi)對多數(shù)目標(biāo)重金屬如Cd、Zn、Pb、Cu、Ni具有較好的萃取作用：當(dāng)EDTA與重金屬總量的摩爾比為10∶1時，EDTA對污泥中重金屬萃取效率由大到小的順序為Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr。(2)EDDS適合在中性偏堿性條件下使用，對Cu、Cd、Zn、Pb、Ni具有較好的萃取作用；當(dāng)EDDS與重金屬總量的摩爾比為10∶1時，EDDS對污泥中重金屬萃取效率由大到小的

10、順序為Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Ni＞Cr。(3)PESA在偏酸性條件下對Cd、Zn、Pb、Ni、Cu、Cr具有良好的萃取作用；當(dāng)PESA與重金屬總量的摩爾比為10∶1時，PESA對污泥中重金屬萃取效率由大到小的順序為Cd＞Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr。在pH=4且PESA與污泥中重金屬總量的摩爾比為10∶1時，PESA對Cd、Zn和Pb萃取效率可與EDTA和EDDS相當(dāng)，對Cr的萃取效率高于EDTA和EDDS。(4)對Cr的萃

11、取，PESA優(yōu)于EDTA和EDDS；對Cu的萃取，EDTA和EDDS優(yōu)于PESA；對Pb的萃取，EDTA優(yōu)于EDDS和PESA。(5)相對于EDTA的難生物降解、EDDS 含氮有引起水體富營養(yǎng)化的潛在威脅且價格較昂貴，PESA由于具有環(huán)境友好、易生物降解、對重金屬螯合性能好的優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的環(huán)境友好替代萃取劑。第四部分：污染土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究以福建三明地區(qū)實際受重金屬污染的土壤樣品為研究對象，通過模擬

12、酸雨淋溶土柱的試驗方法，研究了酸雨作用下污染土壤中重金屬元素的溶出及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究結(jié)果表明： (1)隨著酸雨pH值的降低，污染土壤淋濾液的電導(dǎo)呈遞增變化，而濾液pH值相應(yīng)降低；隨著淋溶量的增加，淋濾液的電導(dǎo)逐漸下降。(2)模擬酸雨作用于該受重金屬污染土壤時，污染土壤中不同重金屬呈現(xiàn)不同的溶出規(guī)律。淋濾液中鋅、鎳、銅、鉻和鉛的含量均隨模擬酸雨pH值的降低而增加，但鋅、鎳和銅的釋放過程可分為快速釋放和準(zhǔn)穩(wěn)定兩個階段，鉻和

13、鉛的釋放過程則分為快速釋放和慢速釋放兩個階段。(3)相同酸雨強度下，該污染土壤中重金屬累積釋放量由大到小的順序為Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb。(4)不同重金屬在酸雨作用下向下層土壤遷移的規(guī)律不同。在pH=3.6的酸雨作用下，污染土壤中的Zn、Pb、Cu、Cr、Ni都具有一定的向下層土壤遷移性，Zn、Ni的遷移性較強，而Cu、Pb、Cr的遷移性相對較弱。相同酸雨強度下，污染土壤中各重金屬下層土壤的遷移能力由大到小的順序為Zn＞N