水泥土和生物炭對(duì)銅離子的吸附研究

摘 要：目前，環(huán)境污染越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。而在環(huán)境污染中，土壤污染是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。土壤污染的治理不僅會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響人類身體健康，也會(huì)對(duì)于水污染、大氣污染等的治理產(chǎn)生重要影響。此次，我們選擇了水泥土和玉米秸稈生物炭材料，對(duì)于它們進(jìn)行了對(duì)重金屬離子銅離子的研究。這兩種材料，一種是可以作為建筑材料在工程上進(jìn)行運(yùn)用，還有一種資源豐富、制作簡(jiǎn)便，能夠“變廢為寶”，實(shí)用性和適用性都很高。

關(guān)鍵詞：水泥土；玉米秸稈生物炭；銅離子吸附

引言

近年來(lái)，土壤污染問(wèn)題備受關(guān)注，而重金屬污染又是其中的主要問(wèn)題。根據(jù)2014年4月發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，全國(guó)整體土壤污染狀況不容樂(lè)觀，全國(guó)土壤的總超標(biāo)率為16.1%，其中以重金屬為主的無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%[1]。

針對(duì)日益嚴(yán)重的土壤重金屬污染問(wèn)題，從20世紀(jì)70年代，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究重金屬污染土的工程特性，到現(xiàn)在，人們?nèi)找骊P(guān)心重金屬污染問(wèn)題，各國(guó)都相繼出臺(tái)了一系列指導(dǎo)性文件規(guī)范和法律政策。

本次研究，我們一方面針對(duì)研究不多的銅離子展開(kāi)，另一方面利用建筑材料水泥土和玉米秸稈制成的生物炭來(lái)進(jìn)行吸附，因?yàn)樗嗤梁陀衩捉斩挶旧沓杀竞馁M(fèi)小，容易得到，而且吸附效果也較為穩(wěn)定。此外，在污染物的去路上，吸附過(guò)重金屬的建材依舊能夠用于建筑，從而能夠有效地去除土壤中的重金屬離子?；谝陨蠋c(diǎn)，我們開(kāi)展了對(duì)水泥土和生物炭對(duì)重金屬離子銅離子的吸附研究。

1 銅污染來(lái)源

目前，我國(guó)重金屬污染十分嚴(yán)重，污染主要來(lái)源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。而目前大家關(guān)注最多的，也是最普遍的重金屬污染就是鉛和鎘的污染，它們通過(guò)尾氣排放、廢舊電池的不合格處理而對(duì)環(huán)境、生物造成了極大危害。而我們?cè)诩姓芜@兩種重金屬污染的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其他重金屬污染，例如銅污染。銅污染的主要來(lái)源是銅鋅礦的開(kāi)采和冶煉、金屬加工、機(jī)械制造等。冶煉氣體的排放會(huì)造成大氣污染，而更加嚴(yán)重的是工業(yè)廢水的排放造成了嚴(yán)重的水體污染，并且會(huì)進(jìn)一步通過(guò)含銅廢水灌溉農(nóng)田，使銅在土壤和農(nóng)作物中累積，會(huì)造成農(nóng)作物尤其是水稻和大麥生長(zhǎng)不良，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，威脅健康。而在海岸和港灣曾發(fā)生的銅污染使牡蠣肉變綠的事件[2]，以及不少地區(qū)已發(fā)展到生產(chǎn)“銅米”等現(xiàn)狀就應(yīng)該引起我們對(duì)銅污染的足夠重視。

2 現(xiàn)有對(duì)銅污染的治理手段與措施

目前我國(guó)對(duì)治理銅污染也已經(jīng)采取了以下治理手段和措施。

2.1 采取一系列宏觀調(diào)控和加快對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整

（1）國(guó)家針對(duì)近年來(lái)銅冶煉行業(yè)投資的盲目增長(zhǎng)，嚴(yán)格控制市場(chǎng)準(zhǔn)入項(xiàng)目，加強(qiáng)信貸管理，對(duì)于新上項(xiàng)目進(jìn)行深入調(diào)查，并進(jìn)行合理性分析。

（2）強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，讓產(chǎn)業(yè)向環(huán)境友好型方向進(jìn)行深入發(fā)展。

（3）進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)監(jiān)督管理和采用淘汰落后產(chǎn)能等方式，不斷改進(jìn)工藝與材料的改進(jìn)和優(yōu)化，減少對(duì)環(huán)境污染。

2.2 發(fā)展和綜合利用各種先進(jìn)處理技術(shù)

國(guó)家加大對(duì)污染處理技術(shù)的學(xué)習(xí)、研究，目前已相對(duì)有效和成熟的有電凝聚技術(shù)、膜分離濃縮技術(shù)等。

2.3 大力發(fā)展環(huán)境處理社會(huì)化

將已有的重金屬?gòu)U棄材料等進(jìn)行重復(fù)利用的可行性分析，作為其他產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)原料，使社會(huì)生產(chǎn)變成一個(gè)無(wú)害的循環(huán)體系。

3 現(xiàn)有對(duì)銅離子進(jìn)行有效吸附的材料

3.1 活性炭

活性炭是一種經(jīng)特殊處理的炭，具有無(wú)數(shù)細(xì)小孔隙，比表面積大，通常高達(dá)500-1700m2/g，因而具有良好的吸附性能。此外，它化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎[3]。經(jīng)研究表明，Cu2+與活性炭吸附位點(diǎn)具有較高的親和性，因而在吸附Cu2+上還是具有優(yōu)勢(shì)的。但是雖然活性炭吸附法技術(shù)上簡(jiǎn)單、效果也比較好，但是活性炭再生效率低，使用壽命短，經(jīng)濟(jì)上不是非常可行。

3.2 銅超累積植物

植物修復(fù)法是利用特定的金屬超累積植物及其根際圈微生物體系的吸收、轉(zhuǎn)化、降解來(lái)降低環(huán)境中的重金屬含量。目前，據(jù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了銅超累積植物37種[4]。相對(duì)于我們目前常用的物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)，它們投入成本都比較高，并且吸附的有效性還有待考量，而植物修復(fù)則是實(shí)用經(jīng)濟(jì)且不會(huì)造成二次污染的一種很好地、適合于大面積來(lái)治理重金屬污染的手段，但是其修復(fù)時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。

3.3 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土比表面積大，離子交換性能強(qiáng)，有很好的吸附性能，它可以通過(guò)強(qiáng)有力的吸附使銅離子濃度大大減小，并且弱化銅離子的遷移性能[5]。此外，它還能夠?qū)⒛承┿~離子固定在晶架結(jié)構(gòu)內(nèi)，是一種良好的土壤修復(fù)劑。

4 水泥土對(duì)銅離子的吸附

目前，水泥基材料對(duì)于銅離子的吸附作用得到了較高的關(guān)注度。水泥基材料的主要水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，具有很高的表面能和離子交換能力，可以通過(guò)吸附、共生或置換等方式來(lái)固化銅離子；而水泥基材料的結(jié)構(gòu)特性也可以使很多銅離子在晶體柱間或通道中被固定[6]。上海地區(qū)的典型土壤之一就是粘土，粘土礦物的顆粒細(xì)小，常在膠體尺寸范圍內(nèi)，比表面積大，顆粒上帶有負(fù)電性，因而具有很好的物理吸附性和表面化學(xué)活性。

在現(xiàn)有研究中，這兩種材料只是單一地作為吸附重金屬的材料，而我們則是利用兩種材料進(jìn)行混合，通過(guò)調(diào)配不同含量的水泥來(lái)進(jìn)行水泥土對(duì)銅離子的吸附研究。此次，我們使用了四種配方的水泥土，水泥含量分別為土含量的5%，7%，9%，12%。

在實(shí)驗(yàn)中，我們配制了濃度為800mg/L的CuSO4溶液，并將其與0.5g的四種配方的水泥土進(jìn)行混合（水泥土過(guò)80目篩），并充分震蕩使其均勻，保持試樣恒溫（20±2℃）。在吸附階段分別于2h，4h，12h，24h，48h，120h，168h取液離心于離心管進(jìn)行離心，并用等離子體光電直讀光譜儀（ICP）進(jìn)行濃度的測(cè)定。

水泥土的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行就地取材，制作非常的方便。并且材料經(jīng)灑水養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后即可作為建筑材料使用。這可以將原本單一的吸附用途，拓展為利于環(huán)境和工程的雙向收益，并且在運(yùn)用的過(guò)程中減少了運(yùn)輸量，且成本低廉，可以取得工程上顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，在國(guó)外，這種材料主要作為垃圾填埋場(chǎng)的防滲屏障使用，這樣不僅能夠有效地阻止生活垃圾由于各種物理化學(xué)作用產(chǎn)生的有毒滲濾液的蔓延，也能利用材料的吸附性能對(duì)于有害物質(zhì)的其他擴(kuò)散與遷移進(jìn)行有效攔截。但是，水泥土材料不太適用直接作為土壤的修復(fù)劑，它目前可以作為建筑材料在銅離子的擴(kuò)散與遷移中進(jìn)行固定，但是其持久性還有待考量。且它是否會(huì)對(duì)土壤造成二次污染的問(wèn)題，也需要我們的進(jìn)一步研究。此外，pH、多種重金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附對(duì)于水泥土的吸附性能影響也是我們下一步可以進(jìn)行研究的方向。

5 玉米秸稈生物炭對(duì)銅離子的吸附

生物炭是將植物和動(dòng)物的廢棄物等生物質(zhì)在溫度較低時(shí)進(jìn)行密閉熱裂解而生成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物，具有較大的比表面積、豐富的含氧官能團(tuán)及礦物成分[7]。由于材料易得，制備簡(jiǎn)單，吸附性能良好，因而我們對(duì)于它對(duì)銅離子的吸附性進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

在選取具體的生物炭材料時(shí)，我們也進(jìn)行了進(jìn)一步的比較。在玉米芯生物炭、玉米秸稈生物炭和小麥秸稈生物炭中，我們發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭和小麥秸稈生物的比表面積要大于玉米芯生物炭，且在熱裂解過(guò)程中玉米秸稈生物炭以及小麥秸稈生物炭均出現(xiàn)了微孔結(jié)構(gòu)，并且在三者之中，玉米秸稈生物炭的溶解性有機(jī)碳含量最高，這促使了我們?cè)诒敬螌?shí)驗(yàn)過(guò)程中選用了玉米秸稈生物炭材料對(duì)于銅離子吸附進(jìn)行研究。

在實(shí)驗(yàn)中，我們將玉米秸稈切成小段，用去離子水進(jìn)行沖洗，在自然狀態(tài)下風(fēng)干，用粉碎機(jī)粉碎后在真空氣氛爐中進(jìn)行燒制，得到了黑色的玉米秸稈生物炭。隨后，我們用去離子水對(duì)玉米秸稈生物炭進(jìn)行了沖洗，洗去其表面的灰塵和植物殘?bào)w，并在自然狀態(tài)下干燥后過(guò)80目篩，并將其與濃度為800mg/L的CuSO4溶液進(jìn)行混合。在搖床中，將其充分震蕩均勻，保持恒溫。在吸附階段分別于2h， 4h，12h，24h，48h，120h，168h取液離心于離心管進(jìn)行離心，并用等離子體光電直讀光譜儀（ICP）進(jìn)行濃度的測(cè)定。

玉米秸稈生物炭材料的制備原料非常的豐富，并且對(duì)于玉米秸稈的再利用可以減少玉米秸稈因閑棄而焚燒引起的空氣污染，使其變廢為寶。并且玉米秸稈可以直接應(yīng)用于土壤的修復(fù)，不會(huì)引起對(duì)于土壤的二次污染，相較于活性炭制作過(guò)程更加簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。但是，在酸雨淋濾后，玉米秸稈生物炭材料對(duì)于pH的調(diào)控是否穩(wěn)定，以及生物炭材料對(duì)于土壤固定重金屬的能力，是否會(huì)再度解析出來(lái)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)水泥土和玉米秸稈生物炭材料都具有較好的吸附能力，可以很好地運(yùn)用到實(shí)際生活中，但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)本身的局限性，我們的結(jié)論依然存在兩個(gè)最主要的問(wèn)題：首先，沒(méi)有考慮實(shí)際情況下pH變化導(dǎo)致的吸附材料改性，可能會(huì)使得水泥土和玉米秸稈生物炭的吸附性能變差；其次，我們還缺乏對(duì)水泥土和玉米秸稈生物炭吸附穩(wěn)定性的探究。當(dāng)吸附時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致已被吸附的銅離子再度解析出來(lái)，而達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

此外，這兩種材料在對(duì)于銅離子的吸附應(yīng)用方面也有其局限性，例如水泥土作為建筑材料可以運(yùn)用于垃圾填埋場(chǎng)防滲墻體的建造，用于缺乏沙礫料地區(qū)的渠道防滲及小型農(nóng)田水利配套工程，但是嚴(yán)寒地區(qū)用于水利工程適應(yīng)性還不夠理想。這些待解決的問(wèn)題，是我們還需要繼續(xù)研究的方向，通過(guò)不斷的改進(jìn)，使其實(shí)用性、適用性更高，又或許我們能夠找到一種更好的固化材料實(shí)現(xiàn)對(duì)銅離子以及其他重金屬離子的高效吸附。

參考文獻(xiàn)

[1]許龍.重金屬污染土的固化修復(fù)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]王勝利，張俊華，劉金鵬，等.土壤吸附銅離子的研究進(jìn)展[J].土壤，2007，39（2）：209-215.

[3]鄭少平，李衛(wèi)平.活性炭吸附法去除重金屬研究進(jìn)展[J].山西建筑，2007，33（14）：153-154.

[4]吳妹冬.銅污染土壤的超富集植物篩選[D].陜西師范大學(xué)，2010.

[5]賈崢嶸.膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤銅形態(tài)和油菜生長(zhǎng)的影響研究[D].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[6]陳蕾，劉松玉，杜延軍，等.水泥固化重金屬鉛污染土的強(qiáng)度特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（12）：1898-1906.

[7]楊廣西.生物炭的化學(xué)改性及其對(duì)銅的吸附研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[8]王箐姣.生物炭對(duì)重金屬的吸附作用及腐殖酸的影響[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2015.