煤灰的環境效應研究

張 剛, 康艷紅, 殷麗萍

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

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煤灰的環境效應研究

張 剛, 康艷紅, 殷麗萍

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

分別采用HCl、CaCl2、DTPA和EDTA四種浸提劑提取粉煤灰中Cr、Hg、Pd、Cd、As五種重金屬污染元素,探討溫度、灰土比例及顆粒大小對浸提情況的影響,并通過正交實驗方法,優化實驗條件,并分析了4個產地粉煤灰中重金屬浸提量。實驗結果表明:浸提劑種類對重金屬元素的浸提量影響最大,粉煤灰粒徑影響最小;隨著溫度的升高,粉煤灰中重金屬浸提量增加;粉煤灰以30%的比例與土壤混合時,重金屬浸提量較大。當在最大浸提條件下,即40 ℃時,粉煤灰粒徑在100～200目,以30%的比例與土壤混合,用DTPA浸提劑進行浸提,重金屬(Cd不顯著)浸提量超過100%土壤和100%粉煤灰,且浸出趨勢與粉煤灰粉產地、種類關系不大。

粉煤灰; 浸提; 重金屬

0 引 言

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物,粒徑主要集中在1～500 μm[1]。2000年我國每年排放的粉煤灰量達到1億多噸,并且其重復利用率僅為41.7%[2]。粉煤灰的主要化學成分為鋁、硅、鐵氧化物以及一定量的鈣、鎂、硫氧化物[3]?？勺鳛楹铣伤?、沸石的原料[4-5];填埋土地、生產化肥[6]。在曾正中的研究中,將粉煤灰與垃圾場黃土混合,研究改良后土壤的滲透性,并對加入粉煤灰的土壤內重金屬含量轉移情況進行研究[7]。在趙智的研究中,通過植物富集重金屬來研究粉煤灰與沙土混合后的重金屬含量情況,加入聚丙烯酰胺(PAM) 改變了植物吸收重金屬的自然數值,雖然植物體內重金屬含量達到國家標準,但對于目前國內如此多的粉煤灰,聚丙烯酰胺(PAM)的需求量過大,在實際應用中存在一定困難[8]。在胡振琪的研究中,將粉煤灰用于填埋塌陷土地,雖檢測出重金屬超標,但粉煤灰混合比例均在50%以上,不能確定是否已達到經粉煤灰填埋后土壤重金屬含量的最大值對環境產生的最大危害[9]。針對上述研究中出現的問題,結合我國目前處理粉煤灰的實際情況,認為將粉煤灰與土壤直接混合的方式為最佳方案,為了減小環境污染的,節約經濟,對粉煤灰粒徑的大小和填埋比例這2種因素進行實驗探究[10]。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

行星式球磨機(QM-3SP2南京大學儀器廠)、標準檢驗篩(浙江省上虞市紗篩廠)、DER電感耦合等離子原子發射光譜儀(美國利曼Lee man公司)。

1.2 實驗藥品

鹽酸 AR、氯化鈣、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙三胺五乙酸(DTPA)均為分析純、硝酸優級純、Cr、Cd、Pb、Hg、As標準溶液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)、實驗用水均為二次去離子水。

1.3 實驗部分

1.3.1 粉煤灰樣品制備

將粉煤灰烘干后破碎處理成小顆粒,置于球磨機中,加入5個大球,8個小球,研磨4 min。將磨好的粉煤灰置于規格分別為100目、200目、300目的準篩中充分振蕩,篩分后得到粒徑>100目、100～200目、200～300目、<300目的4種規格的粉煤灰,備用。將土壤樣本干燥后,置于規格為60目的標準篩中振蕩,得到粒徑<60目的土壤樣本,備用。

1.3.2 浸提劑配制

目前對土壤重金屬有效態進行研究,多采用化學試劑提取法[11]。通過對比選取了HCl、CaCl2、DTPA、EDTA四種浸提劑[12-16]。分別配置0.1 mol·L-1HCl、0.005 mol·L-1DTPA、0.1 mol·L-1CaCl2、0.001 mol·L-1EDTA標準溶液各1 000 mL貼好標簽,放入冰箱中備用。

1.3.3 實驗方法

將不同比例、不同粒徑的粉煤灰與土壤混合后總質量達到5 g,倒入裝有50 mL不同的浸提劑的錐形瓶中,置于不同溫度的恒溫水浴振蕩鍋中振蕩120 min。取渾濁液于離心管中,放入離心機中離心8 min,取出上清液20 mL放入容量瓶中,用ICP電感耦合分光光度計測量Cr、Cd、Pb、Hg、As含量,再進行數據換算處理。處理數據后,選擇最優實驗條件將4種不同地區的粉煤灰按比例混合后,對混合物內重金屬的浸提量進行測量。

2 實驗結果與分析

2.1 正交試驗設計與結果

采用正交實驗法,選取處理四因素四水平L16(44)正交表1,從而選擇最佳的消化條件,實驗結果見表2。

表1 最佳浸提方法正交設計表L16(44)

表2 實驗結果(mg·kg-1)

注:以Cd元素為例。

以Cd元素為例,正交實驗結果見表2,對于影響因素粉煤灰含量A,K2>K4>K1>K3,說明在粉煤灰以30 %的比例與土壤混合時,重金屬浸提的含量最多,50%時浸提量最小;對于影響因素溫度B,K4>K3>K2>K1,說明隨著環境溫度的升高,粉煤灰中的重金屬浸提的含量也逐漸增多;對于影響因素浸提劑C,K3>K1>K4>K2,說明用DTPA浸提的效果最佳。對于影響因素粉煤灰粒徑D,K2>K1>K4>K3,說明粉煤灰粒徑在100～200目時,重金屬含量浸提量最高。通過極差分析,浸提劑種類對Cd元素的浸提情況影響最大,而粉煤灰顆粒大小影響最小。

Pb、Hg、As元素與Cd規律變化趨勢相同,實驗結果見表3。在以0.1 mol·L-1HCl為浸提劑時,Cr表現出與其他測量元素不同的浸提規律,在粉煤灰粒徑為200～300目時,Cr元素在HCl浸提劑中浸提量最大。由于Cr元素的浸提情況不僅受溫度、粉煤灰含量的影響,外界環境的改變也會對其浸提情況造成干擾。相同條件下,重金屬元素在酸性條件下浸提情況最佳,除Cr元素外,其他4種元素在粉煤灰粒徑為100～200目時,其浸提量最大,而Cr元素在200～300目時浸提量最大。是由于Cr元素進行離子交換時需要能量較低,粉煤灰粒徑在200～300目時,分子之間作用力增加,對離子交換提供能量降低,達到Cr元素離子交換所需的能量級,因此Cr元素浸提量達到最大。

表3 實驗結果

注:mg·kg-1是指1 kg粉煤灰與土壤的混合物中含有的重金屬量。

2.2 不同地區的粉煤灰實驗結果與分析

隨機選取4種不同產地的粉煤灰進行5種重金屬元素的測量,依據獲得最大浸提濃度確定實驗條件,即100～200目粒徑的粉煤灰以30%的比例與土壤混合,在40 ℃、用DTPA浸提劑進行浸提。實驗結果見表4。

表4 實驗結果(mg·kg-1)

由表4可以看出,除阜新、安徽粉煤灰土壤混合物中Cd元素的浸提量略低于全土壤中Cd元素浸提量外,其他各重金屬元素均大于全土壤內的重金屬浸提量,數據表明當粉煤灰粒徑在100～200目時,以30%的比例與土壤混合,40 ℃時,用DTPA浸提劑進行浸提,重金屬量超過100%土壤和100%粉煤灰重金屬浸提量。因此在進行粉煤灰填埋處理時,粉煤灰粒徑應小于200目,加入比例不應選擇30%。

3 結 論

1) Cr元素,在酸性條件下當粉煤灰粒徑在200～300目時HCl浸提劑對土壤中Cr元素的吸附能力最小,Cr浸提量達到最大。

2) 當粒徑在100～200目的粉煤灰以30%的比例與土壤混合,40 ℃、用DTPA浸提劑進行浸提,浸提出重金屬總量最大。

3) 因此在進行粉煤灰填埋處理時,粉煤灰粒徑應小于200目,加入比例不應選擇30%。

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Environmental effect of fly ash

ZHANGGang,KANGYanhong,YINLiping

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

HCl, CaCl2, DTPA, EDTA were used respectively to four types of leaching agent extraction of ash in Cr, Hg, Pd, Cd, As five kinds of heavy metal pollution element, explore the temperature, the proportion of lime soil and particle size influence on leaching conditions, through the orthogonal experiment method, optimize of experimental conditions, analyze the four origin leaching amount of heavy metals in fly ash.The experimental results show that the leaching agent type have biggest influence on leaching of heavy metals, the influence of fly ash particle size is minimum; With the increase of temperature, leaching of heavy metals in fly ash content is increased; With 30% of the proportion of fly ash is mixed with soil, heavy metal leaching amount is larger.In the maximum leaching conditions, namely 40 ℃, the particle size of fly ash in 100～200 mesh, with 30% of the proportion of mixed with soil and leaching with DTPA extraction agent, no significant (Cd) of heavy metals leaching amount of more than 100% soil and 100% fly ash, and the fly ash powder habitats and species have no effect on the trend of leaching.

fly ash; leaching; heavy metal

2014-10-22。

遼寧省科學技術計劃項目(201202198)。

張 剛(1990-),男,遼寧開原人,沈陽師范大學碩士研究生; 通信作者: 康艷紅(1968-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士,碩士研究生導師。

1673-5862(2015)01-0125-04

X53

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.028