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上天梯沸石对重金属离子的吸附性能及其对污染土壤的修复

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杨明慧, 刘意, 卢荣洪, 周凤. 上天梯沸石对重金属离子的吸附性能及其对污染土壤的修复[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(6): 79-87. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.06.009
引用本文: 杨明慧, 刘意, 卢荣洪, 周凤. 上天梯沸石对重金属离子的吸附性能及其对污染土壤的修复[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(6): 79-87. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.06.009
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YANG Minghui, LIU Yi, LU Ronghong, ZHOU Feng. Adsorption Capacity of Zeolite Shangtianti to Heavy Metal Ions and Remediation of Contaminated Soil[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2021, 41(6): 79-87. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.06.009
Citation: YANG Minghui, LIU Yi, LU Ronghong, ZHOU Feng. Adsorption Capacity of Zeolite Shangtianti to Heavy Metal Ions and Remediation of Contaminated Soil[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2021, 41(6): 79-87. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2021.06.009
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上天梯沸石对重金属离子的吸附性能及其对污染土壤的修复

  • 1.

    中国地质大学 材料与化学学院，湖北 武汉 430074

  • 2.

    丽江硅材料有限公司，云南 丽江 674100

  • 基金项目:
    湖北省自然科学基金(2020CFB356)
详细信息
    作者简介: 杨明慧(1999-)，男，硕士研究生，从事固体废弃物的综合利用方面的研究
    通讯作者: 周凤，副教授，博士，E-mail：fengzhou@cug.edu.cn

  • 中图分类号: TD91;TD985

Adsorption Capacity of Zeolite Shangtianti to Heavy Metal Ions and Remediation of Contaminated Soil

  • 1.

    Faculty of Material and Chemistry, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

  • 2.

    Li'Jiang LONGi Silicon Materials Corp., Lijiang 674100, Yunnan, China

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    摘要

  • 重金属造成水、土壤污染具有持久性和不可逆性等特点，因此重金属污染的防治备受人们关注，土壤和水中重金属元素的吸附和固定是常用的修复手段。本试验以上天梯不同矿区7种沸石为试验原料，探究了其在水溶液中吸附重金属离子(Pb、Cd、Zn)的能力。同时，选取了在水溶液中吸附效果最佳的沸石进行热活化处理，分析其在水溶液和土壤中吸附和固定重金属元素Pb离子的能力。结果表明，沸石原矿样XHF-01对Pb的吸附量为25.39 mg/g，对Cd和Zn吸附效果最佳的分别为是AF-01、AF-02, 吸附量分别为20.97 mg/g、21.42 mg/g。在300 ℃灼烧改性下的XHF-01沸石对水溶液中的Pb的吸附能力达到峰值。得出300 ℃热活化沸石XHF-01修复Pb污染土壤的能力最好，可使土壤中可迁移Pb量降低69.2%左右。该研究为降低土壤及水溶液中Pb含量提供了一种性能优良的吸附与固定剂。

    The water and soil pollution caused by Heavy metal is persistence and irreversibility. Therefore, the prevention and control of heavy metal pollution has attracted people's attention, Absorption and stabilization of heavy metal elements in soil and water are common remediation methods. This study took seven kinds of zeolite from Shangtianti areas as the raw material, Their ability to absorb heavy metals (Pb, Cd, Zn) in aqueous solutions was investigated. At the same time, the sample with the best adsorption effect was selected for further thermal activation. The ability to adsorption and immobilization the heavy metal Pb in aqueous solution and soil was also analyzed. The results showed that the adsorption capacity of Pb for sample XHF-01 is 25.39 mg/g. The best adsorption effects for Cd and Zn were AF-01 and AF-02 respectively, the adsorption capacity of Cd and Zn is 20.97 mg/g and 21.42 mg/g respectively.The adsorption capacity of XHF-01 to Pb in aqueous solution reached the peak at 300 ℃. The results showed that 300 ℃ thermal activated sample had the best ability to repair Pb contaminated soil, which could reduce TCLP-Pb by 69.2%. This study provides an excellent adsorbent and remediator for reducing Pb content in soil and aqueous solution.

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  • 图 1  不同矿区沸石矿SEM图像(图a、b、c分别为不同放大倍数时的电镜图)

    Figure 1. 

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    图 2  沸石吸附Cd的吸附等温非线性拟合

    Figure 2. 

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    图 3  沸石吸附Zn的吸附等温非线性拟合

    Figure 3. 

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    图 4  改性沸石吸附Pb的吸附等温非线性拟合

    Figure 4. 

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    图 5  不同处理土壤中稀盐酸可提取Pb含量

    Figure 5. 

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    图 6  热活化沸石产物XRD图

    Figure 6. 

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    图 7  不同温度活化沸石的比表面积

    Figure 7. 

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    表 1  上天梯沸石物相分析结果

    Table 1.  The zeolite phase analysis results of Shangtianti zeolite /%

    样品编号 蒙脱石 伊利石 斜发沸石 方石英 石英 长石
    AF-01 15.26 75.31 3.43 1.35 4.67
    AF-02 8.52 4.70 32.55 1.99 2.54 49.70
    AF-03 24.96 68.93 4.10 2.02
    THF-01 6.81 48.00 3.23 5.06
    THF-02 19.05 3.31 43.66 1.75 2.18 2.07
    THF-03 30.60 5.23 32.42 2.09 2.20 2.29
    XHF-01 48.57 1.55 43.91 1.99 0.71 3.26
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    表 2  上天梯沸石原矿化学多元素分析结果

    Table 2.  Multi-elements analysis results of Shangtianti zeolite /%

    样品编号 SiO2 Al2O3 TFe MgO CaO Na2O K2O MnO TiO2 P2O5 LOI 合计
    AF-01 68.67 13.04 1.35 0.98 1.85 1.50 2.59 0.02 0.24 0.04 9.60 99.88
    AF-02 65.84 12.17 5.10 1.00 1.66 1.23 3.32 0.04 0.25 0.05 9.21 99.87
    AF-03 67.66 13.42 1.25 1.00 1.94 1.50 2.69 0.02 0.26 0.04 10.09 99.87
    THF-01 68.88 12.40 1.07 0.95 1.97 1.44 2.73 0.02 0.24 0.04 10.13 99.87
    THF-02 68.41 12.67 1.13 0.97 2.02 1.36 2.68 0.02 0.24 0.04 10.32 99.86
    THF-03 68.20 12.53 1.28 0.97 2.07 1.25 2.61 0.36 0.26 0.04 10.29 99.86
    XHF-01 67.55 13.17 1.16 1.04 2.09 1.20 2.75 0.03 0.26 0.04 10.60 99.89
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    表 3  试验所用原料和试剂

    Table 3.  Raw materials and reagents used in the tests

    试剂名称 规格 生产厂家
    7种不同矿区沸石 信阳上天梯矿区
    HNO3 分析纯 国药集团化学试剂有限公司
    Cd(NO3)2·4H2O 分析纯 国药集团化学试剂有限公司
    Pb(NO3)2 分析纯 国药集团化学试剂有限公司
    Zn(NO3)2·6H2O 分析纯 国药集团化学试剂有限公司
    去离子水 H2O 试验室自制
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    表 4  试验所用仪器和设备

    Table 4.  Instruments and equipment used in the test

    仪器名称 型号 生产厂家
    电感耦合等离子光谱仪 Agilent 7900 安捷伦
    恒温水浴振荡器 SHA-CA 常州普天仪器制造有限公司
    离心机 TG16-WS 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司
    电子天平 BSA124S 奥多利斯科学仪器(北京)有限公司
    恒温水浴振荡器 SHA-CA 常州普天仪器制造有限公司
    离心机 TG16-WS 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司
    标准恒温恒湿养护箱 YH-60B 北京中建路业仪器设备有限公司
    马弗炉 XRY-10 武汉电庐实验电炉厂
    X射线衍射(XRD) AXS D8-Focus 德国Broker公司
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    表 5  Langmuir和Freundlich等温模型拟合沸石吸附Cd的吸附方程理论参数

    Table 5.  Theoretical parameters of adsorption equation for Cd adsorption by zeolite fitted by Langmuir and Freundlich isothermal models

    沸石 Langmuir Freundlich
    qm/(mg·g-1) KL×102/(L·mg-1) R2 KF 1/n R2
    AF-01 20.97 3.33 0.93 1.97 1.57 0.95
    AF-02 14.37 4.61 0.96 2.49 1.63 0.98
    AF-03 15.23 5.74 0.97 2.57 2.14 0.95
    THF-01 16.81 2.83 0.97 2.07 1.19 0.98
    THF-02 12.94 4.05 0.97 2.55 1.39 0.92
    THF-03 13.75 6.16 0.96 2.73 2.05 0.95
    XHF-01 12.54 6.40 0.96 2.81 1.88 0.96
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    表 6  Langmuir和Freundlich等温模型拟合沸石吸附Pb的吸附方程理论参数

    Table 6.  Theoretical parameters of adsorption equation for Pb adsorption by zeolite fitted by Langmuir and Freundlich isothermal models

    沸石 Langmuir Freundlich
    qm/(mg·g-1) KL/(L·mg-1) R2 KF 1/n R2
    AF-01 21.51 8.13 0.95 10.31 14.42 0.85
    AF-02 20.38 0.38 0.94 4.41 7.02 0.92
    AF-03 21.25 2.31 0.90 8.45 12.87 0.83
    THF-01 17.67 0.44 0.95 4.38 6.19 0.94
    THF-02 20.04 0.14 0.94 2.43 3.02 0.94
    THF-03 22.37 0.15 0.95 3.12 5.50 0.96
    XHF-01 25.39 0.10 0.88 3.54 6.92 0.96
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    表 7  Langmuir和Freundlich等温模型拟合沸石吸附Zn的吸附方程理论参数

    Table 7.  Theoretical parameters of adsorption equation for Pb adsorption by zeolite fitted by Langmuir and Freundlich isothermal models

    沸石 Langmuir Freundlich
    qm/(mg·g-1) KL/(L·mg-1) R2 KF 1/n R2
    AF-02 21.42 0.60 0.99 4.22 8.29 0.94
    AF-03 21.22 0.49 0.97 4.85 9.04 0.95
    THF-01 18.64 0.41 0.98 4.18 6.66 0.91
    THF-02 20.62 0.38 0.97 4.68 8.32 0.96
    XHF-01 20.88 0.65 0.98 4.23 8.09 0.95
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    表 8  Langmuir和Freundlich等温模型拟合改性沸石吸附Pb的吸附方程理论参数

    Table 8.  Temperature models such as Langmuir and Freundlich fit the theoretical parameters of the adsorption equation of modified zeolite adsorption Pb

    沸石 Langmuir Freundlich
    qm/(mg·g-1) KL×102/(L·mg-1) R2 KF 1/n R2
    S-0 24.60 20.73 0.99 3.92 1.93 0.91
    S-150 26.85 15.23 0.95 1.84 4.21 0.94
    S-300 44.04 3.70 0.95 1.72 3.18 0.98
    S-450 27.19 6.69 0.92 2.13 3.81 0.93
    S-600 26.89 7.71 0.97 2.13 3.99 0.96
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出版历程
收稿日期:  2021-09-19
刊出日期:  2021-12-25

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