提高河沙沉积物中重金属溶出的方法

摘要

本发明公开了一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，包括以下步骤：将河沙沉积物进行稳定处理，使河沙沉积物分层得到的沉积物和上覆水；将纳米银加入到上覆水中进行反应。本发明有效提高了自然水体中沉积物中重金属的溶出量，利用纳米银与自然水体中天然有机质的相互作用及纳米银的特性，达到快速有效提高沉积物中多种重金属的目的，且具有操作简单、方便、成本低等优点，对水体沉积物中重金属的治理具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及环境工程技术领域，尤其涉及一种提高沉积物中重金属溶出的方法。

背景技术

湘江是我国重金属污染最严重的河流之一，重金属通过农业施肥、化工生产、矿山开采、金属冶炼加工等人为因素，及地质侵蚀、风化等天然因素进入水体，并沉积于底泥中。当环境条件改变时，积聚重金属的沉积物可将其中的重金属再次释放，转入水体等环境介质中，从而对水环境造成二次污染，进而危害人类健康，成为一个潜在的二次污染源。因此，有目的、有规律地提高沉积物中重金属的溶出，对沉积物中重金属的治理具有重要意义。

目前，已有学者使用无机酸、络合剂或者利用微生物将沉积物中重金属浸提到液相中，达到较好的重金属提取效果，但是这些方法普遍存在需要投加大量的酸化剂来酸化沉积物，降低沉积物的pH值，在处理后期又要投加碱液来中和淋出液中的酸和酸化污泥，这种方法存在处理成本相对较高的主要缺点。

纳米银(Nano Silver)是粉末状银单质，粒径小于100nm，一般在25nm～50nm之间，是最常用的工程纳米材料之一。人们已经研究了纳米材料在沉积物中的迁移、转化，而纳米材料对沉积物中重金属的迁移、转化研究较少。

鉴于沉积物中重金属对人体和环境的危害及纳米材料的广泛应用，发展一种利用纳米银有效提高沉积物中重金属溶出的方法对沉积物中重金属的处理具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单易行，能够利用纳米银提高沉积物中多种重金属同时溶出的方法。

为解决上述技术问题，提供了一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，包括以下步骤：

S1、将河沙沉积物进行稳定处理，使所述河沙沉积物分层得到的沉积物和上覆水；

S2、将纳米银加入到上覆水中进行反应，测定河沙沉积物中重金属的溶出量。

上述的方法，优选的，所述S1步骤中所述河沙沉积物的含水量为40.2％～50.2％。

上述的方法，优选的，所述S1步骤中所述河沙沉积物中的重金属包括铜、镉、锌、铅、铬和汞。

上述的方法，优选的，所述铜的浓度为64.0mg/kg～291.0mg/kg、所述镉的浓度为0.6mg/kg～72.8mg/kg、所述锌的浓度为102.3mg/kg～576.0mg/kg、所述铅的浓度为55.5mg/kg～175.0mg/kg、所述铬的浓度为89.0mg/kg～139mg/kg和所述汞的浓度为0.124mg/kg～16.6mg/kg。

上述的方法，优选的，所述S1步骤中所述稳定处理在室温条件下进行，稳定时间为1个月～6个月。进一步优选的，所述稳定时间为3个月。

上述的方法，优选的，所述S2步骤中所述纳米银为未包裹的纳米银、柠檬酸三钠包裹的纳米银或吐温80包裹的银纳米银。

上述的方法，优选的，所述S2步骤中所述纳米银的添加量为80μg/L～120μg/L。

上述的方法，优选的，所述S2步骤中所述反应时间为1d～70d。进一步优选的，所述反应时间为5d～20d。进一步优选的，所述反应时间为8d～15d。

上述的方法，优选的，所述沉积物的厚度为6cm～14cm。进一步优选的，所述沉积物的厚度为10cm。

上述的方法，优选的，所述上覆水的厚度为2cm～14cm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，在沉积物的表面水中缓慢加入纳米银溶液，由于纳米银与天然有机质结合，进而影响纳米银和有机质的稳定性及其随后的环境行为。纳米银可通过常规方法制备，与传统将沉积物中重金属从固相向液相中迁移的方法相比，本发明具有成本低，操作简单，能快速有效提高沉积物中多种重金属的溶出量等优点。

(2)本发明提供了一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，在存在纳米银的条件下，1d～8d时沉积物中重金属的溶出量大大提高了，且在第8d时沉积物中重金属的溶出量最大。因此，本发明的方法中纳米银对沉积物中重金属的溶出效果具有促进作用，对沉积物中重金属的后续处理具有重要意义。

(3)本发明提供了一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，纳米银中柠檬酸三钠包裹的纳米银或吐温80包裹的纳米银，银包裹一层柠檬酸三钠或吐温80具有下列作用：①能降低纳米银在水溶液中团聚作用，使纳米银在环境中的性质更稳定，受外界环境条件的影响更小；②这两种纳米银表面带有大量的配体，对沉积物中重金属的溶出影响更为明显。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例1中不同纳米银/硝酸银条件下银浓度在上覆水中的变化示意图。

图2为本发明实施例2中不同纳米银/硝酸银条件下沉积物孔隙水中汞浓度的变化示意图。

图3为本发明实施例1中吐温80包裹纳米银存在的条件下沉积物孔隙水中重金属浓度随时间的变化示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1

一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，包括以下步骤：

(1)沉积物及其上覆水的制备：取湘江水体中含有重金属的沉积物，通过2cm分子筛去除沉积物中的大碎片、残骸，然后将沉积物缓慢地加入到体积20L的容器中，形成一个平整的厚度为10cm的沉积床，再将2L湘江水逐滴缓慢地加入到平铺好的沉积床上方，于室温条件下稳定3个月，得到稳定的沉积物及其上覆水。

(2)制备未包裹的纳米银颗粒：将4mL浓度为10mmol/L的硝酸银溶液加入到20mL浓度为20mmol/L的一水合氨溶液中，剧烈搅拌得到混合溶液。将2mL浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液加入到上述混合溶液中，使其pH值调节到12，再加入16mL浓度为25mmol/L的D-麦芽糖，得到28.6mg/L的纳米银颗粒。

(3)制备柠檬酸三钠包裹的纳米银颗粒：将1mmol/L柠檬酸三钠溶液加入到步骤(2)的纳米银颗粒中，密封，于22℃黑暗条件下振荡24h，得到12.8mg/L的柠檬酸三钠包裹的纳米银颗粒。

(4)制备吐温80包裹的纳米银颗粒：将10mmol/L吐温80溶液加入到步骤(2)的纳米银颗粒中，密封，于22℃黑暗条件下振荡24h，得到13.2mg/L的吐温80包裹的纳米银颗粒。

(5)取未包裹的纳米银颗粒、柠檬酸三钠包裹的纳米银颗粒和吐温80包裹的银纳米颗粒，配置成浓度均为100μg/L的未包裹的纳米银溶液、柠檬酸三钠包裹的纳米银溶液和吐温80包裹的纳米银溶液。

(6)分别将未包裹的纳米银溶液、柠檬酸三钠包裹的纳米银溶液、吐温80包裹的纳米银溶液、100μg/L的硝酸银溶液从步骤(1)中得到的稳定上覆水的上方缓慢加入到上覆水中；静置反应120h。同时设置不添加纳米银的空白对照组，按照同样的方法静置反应120h。

在静置反应过程中，每隔一段时间(分别为0h、0.2h、0.5h、1h、2h、4h、8h、24h、48h和120h)取样，分别测定上覆水中银的残余量，测定结果列于表1中；图1为本发明实施例1中不同纳米银/硝酸银条件下银浓度在上覆水中的变化示意图。

表1：不同纳米银/硝酸银条件下银在上覆水中的残余量

由表1和图1可知：空白对照组上覆水中无重金属银；除对照组外，其余四组的上覆水中银的残余量随着反应时间的增加逐渐减小，这说明静置反应的前5d的纳米银和硝酸银迅速地从上覆水沉降到沉积物中，进而对沉积物中重金属的溶出量产生影响。

实施例2

一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，包括以下步骤：

(1)沉积物及其上覆水的制备：同实施例1。

(2)制备未包裹的纳米银颗粒、柠檬酸三钠包裹的纳米银颗粒和吐温80包裹的银纳米颗粒：同实施例1。

(3)取未包裹的纳米银颗粒、柠檬酸三钠包裹的纳米银颗粒和吐温80包裹的银纳米颗粒，配置成浓度均为100μg/L的未包裹的纳米银溶液、柠檬酸三钠包裹的纳米银溶液和吐温80包裹的纳米银溶液。

(4)分别将未包裹的纳米银溶液、柠檬酸三钠包裹的纳米银溶液、吐温80包裹的纳米银溶液、100μg/L的硝酸银溶液从步骤(1)中得到的稳定上覆水的上方缓慢加入到上覆水中；静置反应70d。同时设置不添加纳米银的空白对照组，按照同样的方法静置反应70d。

在静置反应过程中，每隔一段时间(分别为0d、1d、3d、5d、8d、11d、15d、20d、30d、40d、50d和70d)取样，分别测定沉积物孔隙水中汞的含量，测定结果列于表2中；图2为本发明实施例2中不同纳米银/硝酸银条件下沉积物孔隙水中汞浓度的变化示意图。

表2：不同纳米银/硝酸银条件下沉积物孔隙水中汞的含量

由表2和图2可知：在无纳米银存在的条件下，即硝酸银组和对照组，沉积物孔隙水中汞的含量变化幅度很小，处于动态平衡状态，且硝酸银组中汞含量仅略高于对照组，说明硝酸银对沉积物中重金属的溶出量影响很小；在纳米银存在的条件下，未包裹的纳米银组、柠檬酸三钠包裹的纳米银组和吐温80包裹的银纳米组中沉积物孔隙水中汞的含量均呈现出先增加后减小的趋势，即，在第1d～8d时，沉积物孔隙水中汞的含量呈线性增大；在第8d～15d时，沉积物孔隙水中汞的含量较高；在第15d～40d时，沉积物孔隙水中汞的含量呈线性减小，第40d后，最终达到动态平衡状态。表明1d～8d时纳米银大大提高了沉积物中重金属的溶出量，8d～15d时沉积物中重金属的溶出量处于较高水平，且在第8d时重金属汞的溶出量最大。

同时采用柠檬酸三钠包裹的纳米银和吐温80包裹的纳米银，对沉积物中重金属汞的溶出效果优于未包裹的纳米银。

实施例3

一种提高河沙沉积物中重金属溶出的方法，包括以下步骤：

(1)沉积物及其上覆水的制备：同实施例1。

(2)制备吐温80包裹的银纳米颗粒：同实施例1。

(3)取步骤(2)中制备得到的吐温80包裹的银纳米颗粒分散于水中，配制为100μg/L的吐温80包裹的纳米银溶液。

(4)将步骤(3)中制备得到的吐温80包裹的纳米银溶液从步骤(1)中得到的稳定上覆水的上方缓慢加入到上覆水中，静置反应70d。

在静置反应过程中，每隔一段时间(分别为0d、1d、3d、5d、8d、11d、15d、20d、30d、40d、50d和70d)取样，分别测定沉积物中孔隙水中重金属铜、锌、铅、镉和汞的含量，测定结果列于表3中；图3为本发明实施例1中吐温80包裹纳米银存在的条件下沉积物孔隙水中重金属浓度随时间的变化示意图。

表3：在吐温80包裹纳米银存在的条件下沉积物孔隙水中重金属的含量

由表3和图3可知：在吐温80包裹的纳米银存在的条件下，沉积物孔隙水中重金属的含量呈现出相似的变化趋势。其中纳米银对沉积物孔隙水中镉的含量变化影响不大，而纳米银对沉积物孔隙水中重金属铜、锌、铅和汞含量的变化影响较为明显，均呈现出先增加后减小的趋势，且在第8d时均达到峰值。表明1d～8d时吐温80包裹的纳米银大大提高了沉积物中重金属铜、锌、铅和汞的溶出量，且在第8d时沉积物中重金属铜、锌、铅和汞的溶出量均最大。

综上所述，结合表1、表2、表3、图1、图2和图3可知，本发明纳米银的作用下，沉积物中重金属的溶出量在一定程度上均受到影响，1d～8d时大大提高了沉积物中重金属的溶出量，且在第8d时沉积物中重金属的溶出量最大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。