熟污泥改性黄土对铜的吸附解吸特征_刘铮

供试土样. 供试土样 pH 值采用电极法测定,有机质含 量采用重铬酸钾法测定,电导率采用笔式电导率 仪测定 , 铜全量按国家标准测定 [14], 其主要理化 性质见表 1.其中铜全量低于土壤环境质量二级 标准限值[15]. 吸取适量铜标准溶液,并以 0.01mg/L NaNO3 溶液定容 , 制成初始浓度为 25,50,100,150,200, 300,400mg/L 的铜溶液,并调 pH 值至 3 左右.实验 所用试剂均系分析纯,水系去离子水.实验器皿在 使用前均经过 5%硝酸浸泡 24h 以上. 1.2 吸附实验 实验设置 3 组平行,每组称取 1~10 号供试土 样各 7 份,每份 2.5g,分别置于 100mL 聚乙烯离心 管中,依次加入 50mL 梯度浓度的铜溶液.将离心 管 置 入 HZQ-X100A 振 荡 培 养 箱 于 25℃ 、 200r/min 下振荡 24h,后取出置入 LD5-2A 型离心 机上以 4000r/min 离心 10min,过滤,吸取 10 mL 上 清液并定容,铜离子浓度用美国 Thermo Fisher 公 司生产的 SOLLAR AAM6 原子吸收光谱仪测定. 1.3 解吸实验 供试土样吸附反应 24h 后 , 均加入 25mL 1mol/L 的 CH3COONH4 解 吸 . 将 离 心 管 置 入 HZQ-X100A 振荡培养箱于 25℃、 200r/min 下振 荡 24h, 后 取 出 置 入 LD5-2A 型 离 心 机 以 4000r/min 离心 10min,过滤,吸取 10 mL 上层清液 并定容,铜离子浓度用美国 Thermo Fisher 公司生 产的 SOLLAR AAM6 原子吸收光谱仪测定. 2 结果与分析
2.1 供试土样对铜的吸附特征 2.1.1 供试土样对铜的吸附等温线 供试土样 对铜的吸附等温线见图 1.由图 1 可知,各土样对 铜的吸附等温线变化趋势相似.当铜溶液浓度为 25~100mg/L 时 , 各土样对铜的吸附量随平衡浓 度的增加而增加,吸附等温线近乎重合;当铜溶液 浓度为 100~400mg/L 时,各土样对铜的吸附量随 平衡浓度的增加而缓慢增长,吸附等温线分散并 趋于直线.这表明,铜溶液浓度为 25~100mg/L 时, 各土样对铜的吸附量增长迅速,吸附量未饱和;而
中国环境科学
2014,34(9)：2306~2312
China
Environmental
Science
熟污泥改性黄土对铜的吸附解吸特征
刘 铮,白 英,刘 琴,王厚成,南忠仁* (兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州 730000)
摘要： 为探明熟污泥改性黄土对重金属的容纳能力,以熟污泥改性黄土为供试土样,采用序批实验法研究了供试土样对铜(Cu)的吸附解吸特 征 , 并分析了供试土样对铜的固定能力及影响因素.供试土样对铜的吸附量在铜添加浓度小于 100mg/L 时急剧增加 ,在铜添加浓度大于 100mg/L 时增加缓慢,而解吸量的变化趋势则恰恰相反.Langmuir 型吸附等温式是描述供试土样对铜的吸附过程的最佳模型,而吸附量与解 吸量的关系可以很好的用指数函数来描述.供试土样对铜的固定吸附量随熟污泥含量的增加而增加,有机质含量是决定性因素. 关键词：熟污泥；黄土；铜；吸附；解吸 中图分类号：X131.3 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2014)09-2306-07
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收稿日期：2013-12-02 基金项目：国家自然科学基金项目(91025015,51178209) * 责任作者, 博士, nanzhongren@
9期
刘
铮等：熟污泥改性黄土对铜的吸附解吸特征
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泥农用过程中铜的风险评价与质量修复提供参 考依据. 1 1.1 材料与方法
样品采集与制备 黄土样采自兰州市榆中县郊区,样方大小为 100×100m, 中 心 点 坐 标 为 (35°56′36.9″N, 104°8′28.4″), 利用栅格法采集 25 个表层样品 (20cm),剔除土壤异物后风干,过 2mm 尼龙筛.其 基 本 理 化 性 质 :TN=0.0514% 、 TP=3% 、 TK= 0.103% 、 pH=8.6 、 ω(Cu)=24.10mg/kg 、 ω( 碳酸 盐)=5.61%、ω(有机质)=15.36g/kg. 污泥取自主要处理生活污水和雨水的兰州 市七里河污水处理厂.将污泥与粉碎的玉米秸秆 以质量 8:1 均匀混合,好氧堆肥 30d 后取出熟污泥, 风 干 后 过 2mm 尼 龙 筛 . 其 基 本 理 化 性 质 : TN=3.43% 、 TP=4.25% 、 TK=0.43% 、 ω(Cu)= 85.54mg/kg、pH=7.38、EC=3999μs/cm、ω(有机 质)=298.1g/kg、ω(碳酸盐)=4.49%,满足污泥农用 的污染物控制标准[13].
表 1 供试土样的主要理化性质 Table 1 Some physical-chemical properti样 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pH 值 8.63 8.38 8.27 8.15 7.98 7.93 7.90 7.89 7.77 7.57 有机质 (g/kg) 15.36 21.05 25.03 26.17 46.65 56.89 63.72 64.85 69.41 75.10 电导率 (μs/cm) 439 668 1008 1346 1662 1857 2009 2510 2874 3021 Cu (mg/kg) 24.10 26.74 29.08 34.05 36.94 40.14 41.86 44.13 50.21 54.08
在黄土样中添加梯度熟污泥并搅拌均匀,使 得熟污泥的质量分数(%)依次为 0、 4.3、 8.1、 16.2、 20.9、26.1、28.9、32.6、42.5、48.8.取 10 个花 盆,用去离子水冲洗干净.每盆按熟污泥质量分数 由小到大装入 2kg 混合土样, 并标记为 1~10.每 5d 以定量去离子水浇灌土样,保持每个花盆内土 样含水量为田间持水量的 60%,静置 30d 后作为
Sorption and desorption of copper in loess improved by composted sludge. LIU Zheng, BAI Ying, LIU Qin, WANG Hou-cheng, NAN Zhong-ren* (College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2306~2312 Abstract：To seek the heavy metal fixed sorption ability of selected soils, the loess improved by composted sludge was collected as study soil. Laboratory batch experiments were conducted to study the sorption and desorption of copper (Cu) on tested soils, and the fixed copper and influence factors were also studied. The copper sorbed by tested soils increased dramatically when initial copper concentration was less than 100mg/L, but it increased slowly when initial copper concentration was more than 100mg/L. The changing trend of desorption was contrary to the changing trend of sorption. Langmuir model well described equilibrium isotherms of copper sorption, and the exponential model well described the relation of sorption and desorption. As the composted sludge concentration increased, the fixed copper on soil samples increased, and the determining factor was the organic matter concentration. Key words：composted sludge；loess；copper；sorption；desorption
平衡浓度(mg/L)
解吸量(mg/g)
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60
吸附量(mg/g)
2.1.2 供试土样对铜的吸附等温式 常见的吸 附等温式有三类,即 Henry 型、Freundlich 型、 Langmuir 型,简称为 H 型、F 型、L 型.其中 H 型 仅仅在溶液中重金属浓度较低时使用,F 型和 L 型则常用于溶液中重金属浓度较高的情况[12].因 此,本研究采用 F 型和 L 型来描述供试土样对铜 的等温吸附特征.从表 2 来看,F 型和 L 型吸附等 温式都有很好的拟合效果 , 但是比较其拟合系 数,L 型的拟合效果要优于 F 型.由 L 型吸附等温 式得出的各土样对铜的最大吸附量 G0 也和各土 样实际最大吸附量相吻合.这说明 L 型吸附等温 式更适宜于描述供试土样对铜的等温吸附行为. 同时也发现,G0 总体上随着土样中熟污泥含量的 增加而呈现出增加的趋势. 2.2 供试土样对铜的解吸特征
黄土属雏形土土纲,广泛分布于我国西北干旱 半干旱区.黄土中有机质和营养元素含量较低[1],加 之降水普遍较少,使得植物生长受限.黄土因此缺 乏地表植被保护,极易被水蚀或风蚀[2],仅黄土高原 水土流失面积即达 43 万 km2,土壤侵蚀严重[3]. 随着我国城市化进程加快,城市污水产生量 迅速增长 , 其副产品污泥产生量亦随之大幅增 加 [4].城市污泥成分复杂,不仅含有大量植物营养 元素还含有重金属等污染物,任意排放或堆放将 对环境造成严重的二次污染 , 同时造成资源浪 费 [5 6].城市污泥堆肥熟化后有机质成分稳定、臭 气产生量小,可作为改善黄土土壤肥力的重要介 质,是良好的土壤改性剂[7].但是污泥中的重金属 进入土壤后无法被生物分解,易于通过食物链富 集,严重限制了污泥的土地利用,因而污泥中的重 金属在环境中的迁移转化规律是环境科学、 土壤