基于MSC-IDA的土壤重金属镉污染移除净化技术研究_刘倩.pdf

农学学报2023,13(3):65-74Journal ofAgriculture基于MSC-IDA的土壤重金属镉污染移除净化技术研究刘 倩1,2，李爱霞1,2，张艳青1（1济源市环境科学研究所，河南济源 459000；2河南省土壤重金属污染监测与修复重点实验室，河南济源 459000）摘 要：受到各种条件的限制，土壤重金属镉污染采用统一净化方案并不能取得最佳治理效果。针对上述问题，提出基于MSC-IDA（磁性固体螯合剂）的土壤重金属镉污染移除净化技术。设计了4种不同的净化方案，设定不同的土壤样本（重金属镉元素含量：0.925、0.642、0.61 mg）、MSC-IDA浓度（0.01、0.05、0.1、0.20 mol/L)、净化时间（时间：0120 min）、土壤粒径不同（50、100、200目），研究这些方案下的MSC-IDA对土壤重金属镉污染的移除净化效果。结果表明：方案1条件下，在添加MSC-IDA后，3种土壤样本中镉含量均明显减少，其中样本1的去除率最高，为5.22%；方案2发现，在MSC-IDA添加量小于0.1 mol/L时，土壤中镉的去除率随MSC-IDA浓度的增加而增加，但当MSC-IDA含量超过0.1 mol/L之后，上升幅度逐渐趋于平缓，样本1(Cd:0.925 mg/kg)去除率样本2(Cd:0.642 mg/kg)样本3(Cd:0.61 mg/kg)。方案3发现，震荡时间与镉的去除率成正比，但是90 min后，镉去除率增长趋于平缓，最后开始下降。方案4发现土壤粒径越大，MSC-IDA的净化效果越好，3种不同样本中，MSC-IDA对样本2(0.642mg/kg)的净化效果最好。关键词：MSC-IDA；土壤污染；镉；移除效率；净化中图分类号：X53文献标志码：A论文编号：cjas2021-0206Study on Removal and Purification Technology of Soil Cadmium Based on MSC-IDALIU Qian1,2,LI Aixia1,2,ZHANG Yanqing1(1Jiyuan Environmental Science Research Institute,Jiyuan 459000,Henan,China;2Henan Key Laboratory of Monitoring and Remediation in Heavy Metal Polluted Soil,Jiyuan 459000,Henan,China)Abstract:Constrained by various conditions,the unified purification program for removing soil cadmium(Cd)can not achieve the best effect.A novel soil Cd pollution removal and purification technology based onmagnetic solid chelator(MSC-IDA)was proposed.We collected three Cd-polluted soil samples(0.925,0.642and 0.61 mg/kg),set MSC-IDA concentrations(0.01,0.05,0.1 and 0.20 mol/L),purification time(0-120 min)and different soil particle size conditions(50,100 and 200 mesh),and designed 4 programs to study theremoval and purification efficiency of MSC-IDA on soil Cd.The results showed that under program 1,byadding MSC-IDA,the Cd content in the three Cd polluted soil samples decreased significantly,and the Cdremoval rate of the first soil sample was the highest of 5.22%.The results of program 2 showed that when theaddition amount of MSC-IDA was less than 0.1 mol/L,the removal rate of Cd in soil increased with theincrease of MSC-IDA concentration,but when the concentration exceeded 0.1 mol/L,the increase graduallytended to be flat.The Cd removal rate of the first soil sample(Cd:0.925 mg/kg)was higher than that of thesecond soil sample(Cd:0.642 mg/kg)and the third soil sample(Cd:0.61 mg/kg).The results of program 3indicated that the shaking time was positively proportional to the removal rate of Cd,but after 90min,theenhancement of Cd removal rate tended to be flat and declining.Program 4 found that the larger the soilparticle size,the better the purification effect of MSC-IDA was.To the three Cd-polluted soil samples,MSC-第一作者简介：刘倩，女，1983年出生，河南济源人，工程师，本科，研究方向：环境科研、土壤重金属污染治理及修复。通信地址：459000 河南省济源市汤帝南路868号 济源市环境科学研究所，Tel：0391-6961875，E-mail：。收稿日期：2021-12-01，修回日期：2021-12-22。0 引言工业的发展带来了经济的进步，但是与此同时，也对环境造成了严重的污染，破坏了周围的生态，影响了居民健康生活。工业污染与其他污染方式最大的不同在于工业生产可能会造成土壤重金属污染。重金属污染的特点在于重金属元素易被吸附、解吸、吸收、转化，因此很难在环境中降解，一旦进入人体，会在某些器官中富集，造成器官衰竭1。镉污染是重金属污染中常见的一种，这种重金属元素一旦进入到土壤中，会停留在土壤表面，同时一部分镉元素也会进入到植物当中，影响土壤地表植被生长2。在此背景下，如何移除净化土壤重金属镉成为土壤污染治理的一项重点项目。目前，关于土壤重金属镉污染的治理在很多文献中都提出了解决方法。例如，尹静玄等3在其研究中提到了一种耐镉细菌联合电动技术，利用该技术进行镉污染土壤的修复工作。在该研究当中，首先在镉污染土壤中接种3种耐镉细菌，然后通过自制实验装置以10 V/cm电压梯度通电10 h，最后通过检测得出土壤中镉元素去除率，以此实现镉污染土壤修复。曾星等4提出了一种植物修复技术，在该研究中分析了龙葵对镉的富集特性并对其生理响应进行了分析。罗宁临等5基于聚糖（改性）-沸石研究了一种钝化剂，并以Cd污染的红壤水稻土为对象，进行钝化实验，得出Cd含量数据，分析钝化剂的去除镉元素的效果。基于前人研究经验，本研究选取MSC-IDA（磁性固体螯合剂），开展移除净化试验，以验证MSC-IDA的应用效果。以期为土壤重金属污染的治理提供参考和建议。1 试验材料与设备1.1 试验材料MSC-IDA（磁性固体螯合剂）的移除净化技术研究所需要的试验材料如表1所示。1.2 试验设备与仪器试验中所使用的相关设备和仪器如表2所示。1.3 试验样品的采集与处理为保证MSC-IDA（磁性固体螯合剂）对土壤重金属镉污染移除净化通用性，从3个重金属镉污染地区采集实验样品，并进行处理，以符合后续试验需要6。具体过程如下。步骤1：选取试验样品采集地点，即某地区某冶炼厂附近废弃地、某工业城市河流岸边以及某市蔬菜基地表层土壤(020 cm)。步骤2：从这3个地点按照梅花点采样法采集020 cm之间的表层土壤，如图1所示7。步骤3：将采集法5个采样点样本混合在一起，并剔除其中的植物残渣及大石块。步骤4：将试验样品依次放入到电热鼓风干燥箱当中进行干燥脱水处理。步骤5：对干燥处理后的土壤样本利用振动磨研样机进行粉碎处理。IDA had the best purification effect on the second one(Cd:0.642mg/kg).Keywords:MSC-IDA;soil pollution;cadmium;removal efficiency;purification表1 试验材料名称四氧化三铁四乙氧基硅烷-氨丙基三乙氧基硅烷氯乙酸钠规格分析纯分析纯分析纯分析纯生产企业天津博迪化工股份有限公司天津市福晨化学试剂厂湖北武大有机硅新材料股份有限公司天津市光复精细化工研究所名称电热鼓风干燥箱电子天平台式高速离心机超声波清洗器原子吸收光谱仪台式恒温振荡器磁力搅拌器振动磨研样机型号101型BS 224 STG16KQ-500EZEEnit700PTHZ-CFlatSpinRK/XZN-100生产企业北京市永光明医疗机械厂北京赛多利斯仪器系统有限公司长沙英泰仪器有限公司江苏省昆山市超声仪器有限公司德国耶拿分析仪器股份有限公司太仓市华美生化仪器厂大龙兴创实验仪器有限公司武汉洛克粉磨设备制造有限公司表2 试验设备与仪器图1 梅花点采样法刘 倩等：基于MSC-IDA的土壤重金属镉污染移除净化技术研究取样点取样点取样点取样区取样点取样点66步骤6：使用50、100、200目尼龙筛对研磨后的土壤进行反复过筛。步骤7：利用电子天平称取100 g样本，利用原子吸收光谱仪测试重金属镉污染样本净化前含有重金属镉元素的含量8。步骤8：利用电子天平称取100 g样本作为净化后重金属镉元素含量测试样本，并放入塑封袋中密封保存。步骤9：将塑封袋放入4冰箱内冷藏，等待备用。试验样品经过处理后共得到三大类样本，即从某地区某冶炼厂附近采集的土壤为样本1、某工业城市河流岸边采集的土壤为样本2，某市蔬菜基地表层土壤采集的土壤为样本3。这三类样本经过处理后才能满足后续净化操作的规范和需要，否则会影响测试的准确度。1.4 MSC-IDA（磁性固体螯合剂）制备在完成试验样品的采集与处理后，制备MSC-IDA（磁性固体螯合剂），具体过程如图2所示，将制备好的MSC-IDA放入冰箱，冷藏，备用9。1.5 移除净化技术以1.2和1.3取得的试验样品和MSC-IDA为基础，进行移除净化试验10。具体过程如下。步骤1：利用电子天平称取20 g重金属镉污染的土壤样本，并放入离心管当中。步骤2：在烧杯当中加入不同浓度的MSC-IDA。步骤3：利用磁力搅拌器将MSC-IDA与土壤样本充分混合11。步骤 4：将土壤样本放入台式恒温振荡器中以220 r/min的速度进行振荡。步骤5：振荡后，取出样本，等待下一步的重金属镉元素含量检测。由于需要测试4种不同条件下土壤重金属镉污染移除净化效果，因此本研究的移除净化技术具体可以划分为4种方案，每种方案的条件都不同，如表3所示12。1.6 重金属镉元素含量检测以上4组移除净化方案处理结束后，再进行土壤样本净化后重金属镉元素含量检测。具体过程如下。步骤1：从振荡器