水泥土和生物炭對銅離子的吸附研究

摘 要：目前，環境污染越來越受到社會的關注。而在環境污染中，土壤污染是一個熱點問題。土壤污染的治理不僅會影響動植物的生長，進而影響人類身體健康，也會對于水污染、大氣污染等的治理產生重要影響。此次，我們選擇了水泥土和玉米秸稈生物炭材料，對于它們進行了對重金屬離子銅離子的研究。這兩種材料，一種是可以作為建筑材料在工程上進行運用，還有一種資源豐富、制作簡便，能夠“變廢為寶”，實用性和適用性都很高。

關鍵詞：水泥土；玉米秸稈生物炭；銅離子吸附

引言

近年來，土壤污染問題備受關注，而重金屬污染又是其中的主要問題。根據2014年4月發布的《全國土壤污染狀況調查公報》，全國整體土壤污染狀況不容樂觀，全國土壤的總超標率為16.1%，其中以重金屬為主的無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%[1]。

針對日益嚴重的土壤重金屬污染問題，從20世紀70年代，歐美發達國家就開始研究重金屬污染土的工程特性，到現在，人們日益關心重金屬污染問題，各國都相繼出臺了一系列指導性文件規范和法律政策。

本次研究，我們一方面針對研究不多的銅離子展開，另一方面利用建筑材料水泥土和玉米秸稈制成的生物炭來進行吸附，因為水泥土和玉米秸稈本身成本耗費小，容易得到，而且吸附效果也較為穩定。此外，在污染物的去路上，吸附過重金屬的建材依舊能夠用于建筑，從而能夠有效地去除土壤中的重金屬離子。基于以上幾點，我們開展了對水泥土和生物炭對重金屬離子銅離子的吸附研究。

1 銅污染來源

目前，我國重金屬污染十分嚴重，污染主要來源于工業污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。而目前大家關注最多的，也是最普遍的重金屬污染就是鉛和鎘的污染，它們通過尾氣排放、廢舊電池的不合格處理而對環境、生物造成了極大危害。而我們在集中整治這兩種重金屬污染的同時，也應該關注其他重金屬污染，例如銅污染。銅污染的主要來源是銅鋅礦的開采和冶煉、金屬加工、機械制造等。冶煉氣體的排放會造成大氣污染，而更加嚴重的是工業廢水的排放造成了嚴重的水體污染，并且會進一步通過含銅廢水灌溉農田，使銅在土壤和農作物中累積，會造成農作物尤其是水稻和大麥生長不良，通過食物鏈進入人體，威脅健康。而在海岸和港灣曾發生的銅污染使牡蠣肉變綠的事件[2]，以及不少地區已發展到生產“銅米”等現狀就應該引起我們對銅污染的足夠重視。

2 現有對銅污染的治理手段與措施

目前我國對治理銅污染也已經采取了以下治理手段和措施。

2.1 采取一系列宏觀調控和加快對我國產業結構的優化和調整

（1）國家針對近年來銅冶煉行業投資的盲目增長，嚴格控制市場準入項目，加強信貸管理，對于新上項目進行深入調查，并進行合理性分析。

（2）強化產業政策導向，讓產業向環境友好型方向進行深入發展。

（3）進行嚴格的環境保護監督管理和采用淘汰落后產能等方式，不斷改進工藝與材料的改進和優化，減少對環境污染。

2.2 發展和綜合利用各種先進處理技術

國家加大對污染處理技術的學習、研究，目前已相對有效和成熟的有電凝聚技術、膜分離濃縮技術等。

2.3 大力發展環境處理社會化

將已有的重金屬廢棄材料等進行重復利用的可行性分析，作為其他產業的生產原料，使社會生產變成一個無害的循環體系。

3 現有對銅離子進行有效吸附的材料

3.1 活性炭

活性炭是一種經特殊處理的炭，具有無數細小孔隙，比表面積大，通常高達500-1700m2/g，因而具有良好的吸附性能。此外，它化學性質穩定，可以耐強酸、強堿，能經受水浸、高溫、高壓作用，不易破碎[3]。經研究表明，Cu2+與活性炭吸附位點具有較高的親和性，因而在吸附Cu2+上還是具有優勢的。但是雖然活性炭吸附法技術上簡單、效果也比較好，但是活性炭再生效率低，使用壽命短，經濟上不是非常可行。

3.2 銅超累積植物

植物修復法是利用特定的金屬超累積植物及其根際圈微生物體系的吸收、轉化、降解來降低環境中的重金屬含量。目前，據統計已經發現了銅超累積植物37種[4]。相對于我們目前常用的物理修復和化學修復，它們投入成本都比較高，并且吸附的有效性還有待考量，而植物修復則是實用經濟且不會造成二次污染的一種很好地、適合于大面積來治理重金屬污染的手段，但是其修復時間會較長。

3.3 膨潤土

膨潤土比表面積大，離子交換性能強，有很好的吸附性能，它可以通過強有力的吸附使銅離子濃度大大減小，并且弱化銅離子的遷移性能[5]。此外，它還能夠將某些銅離子固定在晶架結構內，是一種良好的土壤修復劑。

4 水泥土對銅離子的吸附

目前，水泥基材料對于銅離子的吸附作用得到了較高的關注度。水泥基材料的主要水化產物C-S-H凝膠，具有很高的表面能和離子交換能力，可以通過吸附、共生或置換等方式來固化銅離子；而水泥基材料的結構特性也可以使很多銅離子在晶體柱間或通道中被固定[6]。上海地區的典型土壤之一就是粘土，粘土礦物的顆粒細小，常在膠體尺寸范圍內，比表面積大，顆粒上帶有負電性，因而具有很好的物理吸附性和表面化學活性。

在現有研究中，這兩種材料只是單一地作為吸附重金屬的材料，而我們則是利用兩種材料進行混合，通過調配不同含量的水泥來進行水泥土對銅離子的吸附研究。此次，我們使用了四種配方的水泥土，水泥含量分別為土含量的5%，7%，9%，12%。

在實驗中，我們配制了濃度為800mg/L的CuSO4溶液，并將其與0.5g的四種配方的水泥土進行混合（水泥土過80目篩），并充分震蕩使其均勻，保持試樣恒溫（20±2℃）。在吸附階段分別于2h，4h，12h，24h，48h，120h，168h取液離心于離心管進行離心，并用等離子體光電直讀光譜儀（ICP）進行濃度的測定。

水泥土的突出優點是可以進行就地取材，制作非常的方便。并且材料經灑水養護一段時間后即可作為建筑材料使用。這可以將原本單一的吸附用途，拓展為利于環境和工程的雙向收益，并且在運用的過程中減少了運輸量，且成本低廉，可以取得工程上顯著的經濟效益。

目前，在國外，這種材料主要作為垃圾填埋場的防滲屏障使用，這樣不僅能夠有效地阻止生活垃圾由于各種物理化學作用產生的有毒滲濾液的蔓延，也能利用材料的吸附性能對于有害物質的其他擴散與遷移進行有效攔截。但是，水泥土材料不太適用直接作為土壤的修復劑，它目前可以作為建筑材料在銅離子的擴散與遷移中進行固定，但是其持久性還有待考量。且它是否會對土壤造成二次污染的問題，也需要我們的進一步研究。此外，pH、多種重金屬離子的競爭吸附對于水泥土的吸附性能影響也是我們下一步可以進行研究的方向。

5 玉米秸稈生物炭對銅離子的吸附

生物炭是將植物和動物的廢棄物等生物質在溫度較低時進行密閉熱裂解而生成的穩定富碳產物，具有較大的比表面積、豐富的含氧官能團及礦物成分[7]。由于材料易得，制備簡單，吸附性能良好，因而我們對于它對銅離子的吸附性進行了進一步研究。

在選取具體的生物炭材料時，我們也進行了進一步的比較。在玉米芯生物炭、玉米秸稈生物炭和小麥秸稈生物炭中，我們發現玉米秸稈生物炭和小麥秸稈生物的比表面積要大于玉米芯生物炭，且在熱裂解過程中玉米秸稈生物炭以及小麥秸稈生物炭均出現了微孔結構，并且在三者之中，玉米秸稈生物炭的溶解性有機碳含量最高，這促使了我們在本次實驗過程中選用了玉米秸稈生物炭材料對于銅離子吸附進行研究。

在實驗中，我們將玉米秸稈切成小段，用去離子水進行沖洗，在自然狀態下風干，用粉碎機粉碎后在真空氣氛爐中進行燒制，得到了黑色的玉米秸稈生物炭。隨后，我們用去離子水對玉米秸稈生物炭進行了沖洗，洗去其表面的灰塵和植物殘體，并在自然狀態下干燥后過80目篩，并將其與濃度為800mg/L的CuSO4溶液進行混合。在搖床中，將其充分震蕩均勻，保持恒溫。在吸附階段分別于2h， 4h，12h，24h，48h，120h，168h取液離心于離心管進行離心，并用等離子體光電直讀光譜儀（ICP）進行濃度的測定。

玉米秸稈生物炭材料的制備原料非常的豐富，并且對于玉米秸稈的再利用可以減少玉米秸稈因閑棄而焚燒引起的空氣污染，使其變廢為寶。并且玉米秸稈可以直接應用于土壤的修復，不會引起對于土壤的二次污染，相較于活性炭制作過程更加簡單，價格低廉。但是，在酸雨淋濾后，玉米秸稈生物炭材料對于pH的調控是否穩定，以及生物炭材料對于土壤固定重金屬的能力，是否會再度解析出來，還需要進行進一步的深入研究。

6 結束語

通過實驗，我們發現水泥土和玉米秸稈生物炭材料都具有較好的吸附能力，可以很好地運用到實際生活中，但因為實驗本身的局限性，我們的結論依然存在兩個最主要的問題：首先，沒有考慮實際情況下pH變化導致的吸附材料改性，可能會使得水泥土和玉米秸稈生物炭的吸附性能變差；其次，我們還缺乏對水泥土和玉米秸稈生物炭吸附穩定性的探究。當吸附時間過長時可能會導致已被吸附的銅離子再度解析出來，而達不到預期的實驗效果。

此外，這兩種材料在對于銅離子的吸附應用方面也有其局限性，例如水泥土作為建筑材料可以運用于垃圾填埋場防滲墻體的建造，用于缺乏沙礫料地區的渠道防滲及小型農田水利配套工程，但是嚴寒地區用于水利工程適應性還不夠理想。這些待解決的問題，是我們還需要繼續研究的方向，通過不斷的改進，使其實用性、適用性更高，又或許我們能夠找到一種更好的固化材料實現對銅離子以及其他重金屬離子的高效吸附。

參考文獻

[1]許龍.重金屬污染土的固化修復及長期穩定性研究[D].合肥工業大學，2012.

[2]王勝利，張俊華，劉金鵬，等.土壤吸附銅離子的研究進展[J].土壤，2007，39（2）：209-215.

[3]鄭少平，李衛平.活性炭吸附法去除重金屬研究進展[J].山西建筑，2007，33（14）：153-154.

[4]吳妹冬.銅污染土壤的超富集植物篩選[D].陜西師范大學，2010.

[5]賈崢嶸.膨潤土對銅污染土壤銅形態和油菜生長的影響研究[D].山西農業大學，2013.

[6]陳蕾，劉松玉，杜延軍，等.水泥固化重金屬鉛污染土的強度特性研究[J].巖土工程學報，2010，32（12）：1898-1906.

[7]楊廣西.生物炭的化學改性及其對銅的吸附研究[D].中國科學技術大學，2014.

[8]王箐姣.生物炭對重金屬的吸附作用及腐殖酸的影響[D].中國地質大學，2015.