聚鋁混凝沉淀物含鎘絮體穩(wěn)定性評(píng)估

卓瓊芳,許振成,虢清偉,易 皓,王振興,柳王榮 (環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510655)

鎘是一種在自然界中分布廣泛的重金屬,可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體而引起慢性中毒.鎘被人體吸收后,與蛋白形成鎘硫蛋白,蓄積腎中的鎘占進(jìn)入人體的近 1/3,是鎘的“靶器官”,中毒者會(huì)出現(xiàn)氨基酸尿、蛋白尿、糖尿等.鎘也會(huì)使人患上“痛痛病”,使病人痛苦不堪.鎘在其他臟器如脾、胰、甲狀腺和毛發(fā)等也有一定量的蓄積[1-5].具有難降解性、毒性和生物蓄積性[6-8].因此,被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)歸為第一致癌物,是原環(huán)境保護(hù)局1989年4月發(fā)布的68種優(yōu)先控制控污染物之一.

近幾年,河流環(huán)境突發(fā)鎘污染事件比較典型的有2005年廣東北江、2006年湖南湘江和2012年廣西龍江河[9-11].在鎘污染突發(fā)事件中,通常采用聚鋁、聚鐵、生石灰和燒堿,通過(guò)混凝沉淀的辦法[12],使鎘沉積在河底.然而在污染應(yīng)急事件結(jié)束后,沉積在河底的絮體是否釋放鎘及釋放程度,成為關(guān)注的焦點(diǎn).本研究的目的是評(píng)估鎘絮體在不同pH值、泥沙含量、轉(zhuǎn)速和溫度下,絮體釋放鎘的程度.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

SG2便攜式pH計(jì)(瑞士Mettler Toledo公司);電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司);電子天平(上海 奧豪斯儀器有限公司);數(shù)顯氣浴恒溫振蕩器(金壇市朗博儀器制造有限公司);數(shù)顯六聯(lián)電動(dòng)升降攪拌器(蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 pH值的影響 用 0.1mol/LHCl和0.1mol/LNaOH 調(diào)節(jié)已達(dá)標(biāo)河水,再加入 20mL絮體,放在搖床中,轉(zhuǎn)速 360r/min,一定時(shí)間取樣后,過(guò)濾分析.

1L反應(yīng)液=20mL絮體+980mL已達(dá)標(biāo)河水.

測(cè)試后的數(shù)據(jù)折算為0.02m高絮體,25m水深對(duì)應(yīng)的鎘濃度.

1.2.2 模擬洪水的影響 采集碎砂石,烘干.本實(shí)驗(yàn)選取的沙石含量分別為空白,0.03,0.7,3.5,5,10g/L.

1L反應(yīng)液=20mL絮體+980mL已達(dá)標(biāo)河水(調(diào)成初始pH5).

6個(gè) 1L燒杯放進(jìn) 6聯(lián)攪拌機(jī)中,轉(zhuǎn)速360r/min.

測(cè)試后的數(shù)據(jù)折算為0.02m高絮體,25m水深對(duì)應(yīng)的鎘濃度.

1.2.3 轉(zhuǎn)速的影響 研究絮體在轉(zhuǎn)速為 0,80,120,180,240r/min下,釋放鎘的程度.

1L反應(yīng)液=11.3mL絮體+988.7mL已達(dá)標(biāo)河水.

測(cè)試后的數(shù)據(jù)折算為0.02m高絮體,25m水深對(duì)應(yīng)的鎘濃度.

1.2.4 溫度的影響 研究絮體在溫度為 10,20,30℃,靜置條件下釋放鎘的程度.

1L反應(yīng)液=11.3mL絮體+988.7mL已達(dá)標(biāo)河水.

測(cè)試后的數(shù)據(jù)折算為0.02m高絮體,25m水深對(duì)應(yīng)的鎘濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)絮體釋放鎘的影響

圖 1給出pH值為5、6、7、8、9,轉(zhuǎn)速360 r/min時(shí),溶液鎘離子濃度在 14h內(nèi)的變化曲線.在 pH值為5時(shí),鎘濃度最大超標(biāo)1.36倍(?地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?中Ⅳ類(lèi)鎘標(biāo)準(zhǔn) 5μg/L[13]).在 pH 值為6～9時(shí),鎘濃度均不超標(biāo).對(duì)于 pH5和 pH6來(lái)說(shuō),鎘離子濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致.都是先升高后降低,再緩慢升高而后降低.0～2h,鎘離子濃度迅速上升,這是因?yàn)闅潆x子會(huì)和羥基鋁鹽、氫氧化鎘、碳酸鎘反應(yīng),鎘離子被釋放出來(lái).反應(yīng) 2h,鎘離子濃度達(dá)最大,在 2～5h內(nèi)逐漸降低,這是因?yàn)樵?60r/min的高轉(zhuǎn)速下,被剪切力打碎的絮體暴露出新的界面,界面可能會(huì)帶正電、負(fù)電或不帶電[14].絮體通過(guò)殘余電荷將鎘離子吸附在絮體表面.因此,在 2～5h時(shí),鎘離子濃度逐漸降低.鎘離子濃度在 5～10h內(nèi)先緩慢上升再降低,這可能是由于在高轉(zhuǎn)速下,絮體的破碎導(dǎo)致鎘的釋放,而在絮體破碎的同時(shí),伴隨著新界面產(chǎn)生(界面帶電荷),由殘余電荷吸附鎘而使得鎘濃度降低.pH值為7、8、9時(shí),其規(guī)律也是先升高后降低.這說(shuō)明在高轉(zhuǎn)速下,絮體破碎釋放鎘與殘余電荷吸附鎘同時(shí)存在.

圖1 pH值對(duì)絮體釋放鎘的影響Fig.1 The effect of pH on the cadmium concentration

2.2 泥沙含量對(duì)絮體釋放鎘的影響

圖 2給出泥沙含量為空白,0.03,0.7,3.5,5,10g/L,河水初始pH值為5的條件下,鎘離子濃度隨時(shí)間的變化.從圖 2可以看出,對(duì)于不同泥沙含量來(lái)說(shuō),鎘離子濃度先升高,后緩慢降低,最大超標(biāo)0.24倍.鎘濃度在0～1h升高是因?yàn)樵诔跏紁H值為 5下,包覆網(wǎng)捕在絮體中的氫氧化鎘,碳酸鎘溶出.鎘濃度在 1h達(dá)最大值,氫離子消耗殆盡.而后,在反應(yīng)時(shí)間跨度從 1～14h范圍內(nèi),鎘離子濃度逐漸降低.且隨著泥沙含量的增多,鎘離子濃度下降得更快.這是因?yàn)?細(xì)顆粒泥沙也是一種絮凝劑[15].因此,泥沙可通過(guò)壓縮雙電層,架橋,網(wǎng)捕包裹的方式絮凝水中的鎘離子,使得鎘離子在 1～14h范圍內(nèi),濃度逐漸降低.

圖2 泥沙含量對(duì)絮體釋放鎘的影響Fig.2 The effect of sediment content on the cadmium concentration

2.3 攪速速度對(duì)絮體釋放鎘的影響

圖 3為在轉(zhuǎn)速為 0,80,120,180,240r/min下,溶液中鎘離子濃度隨時(shí)間的變化.從圖 3可以看出,在各轉(zhuǎn)速下,鎘均不超標(biāo).且在轉(zhuǎn)速為 0時(shí),鎘的濃度經(jīng)歷先升高后降低的幾個(gè)循環(huán).濃度升高可解釋為吸附在絮體上的鎘存在解吸附;濃度降低是由于水分子熱運(yùn)動(dòng)“布朗運(yùn)動(dòng)”而引起的水中鎘離子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),鎘離子有機(jī)會(huì)運(yùn)動(dòng)到下層絮體附近,絮體則通過(guò)網(wǎng)捕包裹,共沉淀的作用達(dá)到降鎘的目的.在轉(zhuǎn)速為 80～240r/min下,鎘離子濃度依舊經(jīng)歷著多次升高繼而降低的循環(huán),但每次升到最高點(diǎn)的濃度仍低于初始濃度,其規(guī)律為有曲折的降低.在 80～240r/min范圍內(nèi),高轉(zhuǎn)速下的鎘離子濃度降低程度更高.這是因?yàn)樾躞w在高轉(zhuǎn)速下受到水體剪切力的作用,會(huì)有更多的新界面產(chǎn)生.新界面帶正電、負(fù)電或不帶電[14].帶負(fù)電的界面通過(guò)殘余電荷吸附的作用將鎘離子吸附在絮體上.另一個(gè)原因是,絮體在高轉(zhuǎn)速下有較高的幾率接觸到水體中的鎘離子,通過(guò)網(wǎng)捕包裹、吸附或共沉淀[16-18],將鎘去除.在 160～240r/min下,鎘絮體保持穩(wěn)定,且隨著轉(zhuǎn)速的提高,鎘濃度的降低的速率更大.

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)絮體釋放鎘的影響Fig.3 The effect of rotating speed on the cadmium concentration

2.4 溫度對(duì)絮體釋放鎘的影響

由圖4可以看出,溫度為10℃和20℃時(shí),鎘離子濃度變化不大.而在 30℃時(shí),前 15h,鎘離子濃度變化不大,而在 38h后,鎘離子濃度下降幅度突然變大.這是因?yàn)樵诟邷叵?鎘離子的布朗運(yùn)動(dòng)加快,有更大幾率運(yùn)動(dòng)到下層沉積絮體附近,絮體則可通過(guò)網(wǎng)捕包裹和共沉淀的方式將鎘去除.說(shuō)明絮體在溫度升高時(shí)保持穩(wěn)定,且有助于鎘的去除.

圖4 溫度對(duì)絮體釋放鎘的影響Fig.4 The effect of temperature on the cadmium concentration

3 結(jié)論

3.1 在pH5時(shí),鎘溶出最大超標(biāo)為1.36倍;pH6～8范圍內(nèi),鎘有溶出,但不超標(biāo).pH值為9時(shí),鎘不溶出.

3.2 泥沙量在空白至10g/L范圍內(nèi)變化,轉(zhuǎn)速為360r/min,初始pH值為5的實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是酸性洪水期,鎘釋放的程度.在此極端情況下,鎘超標(biāo)0.24倍,且鎘濃度暴雨期泥沙含量增多有助于鎘濃度的降低.

3.3 采用轉(zhuǎn)速0～240r/min范圍的實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同水流速對(duì)鎘釋放的影響,結(jié)果表明,隨著水流速的增加,絮體不但穩(wěn)定而且繼續(xù)發(fā)揮混凝降鎘的作用,鎘離子濃度呈下降趨勢(shì).

3.4 絮體在溫度在 10～20℃變化時(shí),鎘絮體保持穩(wěn)定,基本無(wú)釋放.當(dāng)溫度為 30℃時(shí),鎘離子呈下降趨勢(shì),說(shuō)明高溫下絮體保持穩(wěn)定,且有利于降鎘反應(yīng)的發(fā)生.

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