磷矿粉及其活化产物对土壤铅的钝化与机理

摘要

土壤中的铅不能被生物分解或化学降解，只能通过渗漏进入地下水，或直接被植物吸收进入食物链，最终对生态环境及人类和动物的健康造成严重的危害。本文研究了在黄褐土、砖红壤和潮土中施加磷矿粉后铅形态变化，探讨了磷矿粉施加量、培养时间、不同磷矿粉种类以及活化磷矿粉对土壤中铅形态的影响，采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)以及扫描电镜和能谱分析(SEM/EDS)等手段分析了草酸活化磷矿粉与未活化磷矿粉在不同pH条件下对铅的钝化机理。主要结果如下：
　　 1)黄褐土和砖红壤中施加钟祥磷矿粉(ZPR)培养2d后，均能有效的减少土壤中交换态铅含量，增加残渣态铅含量，且磷矿粉施加量越高，效果越显著。随着磷矿粉施加量由0 mg P/kg，50 mg P/kg，500 mg P/kg，2000 mg P/kg增加，黄褐土和砖红壤中交换态铅含量与对照相比降低22.5%-54.4%和61.7%-72.8%；外源铅含量为200 mg/kg时，两土壤中交换态和残渣态铅变化规律与无外源铅污染时相似，随磷矿粉施加量增加，黄褐土和砖红壤中交换态铅比对照减少23.9%-86.0%和20.9%-90.2%，以在ZPR用量最大时(2000 mg P/kg)钝化效果最好。污染潮土中施加钟祥磷矿粉2d后，交换态铅含量有增加趋势，但增幅很小，交换态铅含量百分比变化范围为0.7%-1.3%，残渣态铅含量增加。
　　 2)外源铅污染的黄褐土和砖红壤设置为轻度污染(Y2、L2)与重度污染土壤(Y4、L4)，向其中施加2000 mg P/kg的ZPR后，其交换态铅含量随时间增加先表现很小的增幅，而后趋于稳定，而残渣态铅含量随时间增加先减少后增加；潮土中残渣态铅含量随时间增加而增加，增幅为1.3%-14.5%。
　　 3)黄褐土中施加不同用量的磷矿粉后，保康磷矿粉(BPR)钝化交换态铅效果最好，开阳磷矿粉(KPR)最差；而砖红壤中对交换态铅的钝化效果为，低磷矿粉用量时(50 mg P/kg)，ZPR钝化效果最好，BPR最差；中(500 mg P/kg)、高(2000 mg P/kg)磷矿粉用量时，BPR效果最好，KPR最差。两土壤施加不同用量的四种磷矿粉后，均能显著的减少土壤中交换态铅含量，增加残渣态铅含量。但供试磷矿粉对土壤中铅的钝化效果不同，BPR效果最优，ZPR和南漳磷矿粉(NPR)效果相当，KPR次之。说明磷矿粉的全磷和有效磷含量并非是钝化土壤中铅的决定因素，很可能由于BPR具有较大的比表面积，在对铅的钝化过程中磷酸盐诱导的吸附起主要作用。
　　 4)黄褐土中施加不同用量的活化磷矿粉(APRs)后，交换态铅含量，在低APRs用量时，活化保康磷矿粉(ABPR)效果最好，活化开阳磷矿粉(AKPR)最差；中APRs用量时，活化南漳磷矿粉(ANPR)效果最好，AKPR最差；高施加量时，检测不到交换态铅。砖红壤中无论低、中、高APRs用量，ABPR的钝化效果均优于其它三种APRs。两土壤中施加四种不同用量的APRs后，部分处理残渣态铅含量减少。四种APRs均能显著降低两土壤中交换态铅含量，效果优于PRs。说明磷矿粉被草酸活化后，释放的有效磷增多，能够与铅接触的机会增多。
　　 5)供试未活化磷矿粉(PRs)和草酸活化后的磷矿粉(APRs)分别与不同pH的200 mg Pb/L的铅溶液反应，在pH3.0-5.0范围内均有效吸附溶液中的铅，溶液的pH≥3时，对铅的吸附率均在90%以上。随着溶液pH的降低，溶液中溶解的磷浓度升高，但不同pH对Pb的吸附影响很小。通过XRD分析表明，供试样品均可检测到氟磷灰石和方解石衍射峰。草酸活化后，均可检测到草酸钙或水合草酸钙。PRs与铅溶液反应后形成白铅矿，APRs与铅反应后生成磷氯铅矿。XPS表面分析通过对Pb4f的终结合能(135.05-135.55 eV)对比显示，APRs对铅的去除要比PRs的更有效。SEM/EDS分析表明供试PRs样品包含大的块状结晶体并含大量的Ca，P，O，F和C，验证了氟磷灰石的存在；PRs经草酸活化后，变为无定形；PRs与铅溶液反应后，形成块状物质并含有Pb；在APRs与铅溶液反应后，形成不规则的块状粒子，同时检测到Pb。FT-IR图谱表明，在PRs被草酸活化后，CO32-的特征吸收峰消失，PV43-的峰强度减弱，同时出现C2O42-的特征吸收峰。表明CO32-在PRs与Pb溶液的反应中起主要作用，而APRs中PO43-起主要作用。由于磷氯铅矿的溶解度低，建议采用APRs钝化土壤和水中的铅。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 土壤重金属污染现状

1.1.1 土壤重金属污染

1.1.2 土壤重金属污染的来源

1.2 重金属污染的危害及特点

1.2.1 重金属的主要危害

1.2.2 重金属危害的特点

1.3 土壤重金属的形态

1.4 重金属污染治理的方法

1.5 磷矿粉对土壤铅污染的钝化作用

1.6 研究目的

2 磷矿粉对几种土壤中铅的钝化效果

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 供试土壤和磷矿粉

2.2.2 实验方法

2.3 实验结果

2.3.1 施加磷矿粉后土壤铅形态和pH变化

2.3.2 施加磷矿粉对土壤外源铅形态和pH的影响

2.3.3 施加磷矿粉后土壤外源铅形态和pH动态变化

2.4 讨论

2.4.1 施加磷矿粉对土壤铅形态变化探讨

2.4.2 施加磷矿粉土壤铅形态动态变化探讨

2.5 小结

3 不同磷矿粉对土壤外源铅的钝化效果

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 供试土壤的基本理化性质

3.2.2 供试磷矿粉的基本性质

3.2.3 实验方法

3.3 实验结果

3.3.1 土壤施加磷矿粉后各形态铅含量和pH变化

3.4 讨论

3.5 小结

4 活化磷矿粉对土壤中铅钝化效果研究

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 样品处理

4.2.2 供试土壤的基本理化性质

4.2.3 供试磷矿粉的基本理化性质

4.2.4 实验方法

4.3 结果与分析

4.3.1 土壤施加活化磷矿粉后铅形态和pH变化

4.4 讨论

4.5 小结

5 草酸活化磷矿粉钝化水溶液中铅的机理

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 供试材料

5.2.2 样品处理

5.2.3 基本性质的测定

5.2.4 残渣的分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 不同pH下PRs和APRs对铅的吸附

5.3.2 铅吸附反应后上清液的pH和磷浓度

5.3.3 磷矿粉和活化磷矿粉反应产物X射线衍射分析

5.3.4 磷矿粉和活化磷矿粉与Pb反应产物XPS分析

5.3.5 磷矿粉和活化磷矿粉反应产物SEM/EDS分析

5.3.6 磷矿粉和活化磷矿粉反应产物FT-IR分析

5.4 小结

6 讨论、创新点及结论

6.1 磷矿粉对土壤中铅钝化及机理探讨

6.2 论文主要创新点

6.3 结论

参考文献

博士在读期间发表的与本课题相关的论文

致谢