一種改性膨潤土鈍化劑制備及生態修復應用試驗

摘 要：針對傳統土壤鈍化劑對鎘固定效果差，在酸雨條件下易重新釋放鎘造成二次污染的問題，提出一種新型復合改性膨潤土鈍化劑的制備。首先通過對含鎘水溶液進行處理，分析復合改性膨潤土對鎘離子的吸附-脫附行為。然后對鎘污染盆栽土壤進行處理，探究復合改性膨潤土對土壤的改良效果。結果表明：經過復合改性膨潤土處理的鎘污染土壤，內部可被植物利用吸收的離子交換態含量降低，不易被吸收的鐵錳氧化結合態、腐殖酸結合態含量增加。在模擬酸雨條件下，2種環境浸出液中鎘含量均低于0.2 mg/kg，鎘固定效果良好，可改良污染土壤，同時避免二次污染。

關鍵詞：生態修復；改性膨潤土；土壤改良；鎘固定效果

中圖分類號：TQ042 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0123-04

Experimental study on sodiumPreparation and applicationtest of ecological restoration of a modified bentonite passivator

LIU Mengwei 1，2 ，BAI Guoliang

1，2 ，SANG Sheng 1，2 ，ZHOU Yuan 1

（1. CCTEG Ecological Environment Technology Co.，Ltd.，Beijing 100020，China；

2. CCTEG Beijing Academy of Land Renovation and Ecological Restoration Technology Co.，Ltd.，Beijing 100020，China）

Abstract：In order to solve the problem that the traditional soil passivator has poor cadmium fixation effect and iseasy to re-release cadmium under acid rain conditions，resulting in secondary pollution，a new composite modifiedbentonite passivator preparation was proposed. Firstly，the adsorption-desorption behavior of cadmium ions by com?posite modified bentonite was analyzed by treating the cadmium-containing aqueous solution. Then，cadmium-con?taminated potting soil was treated to explore the effect of composite modified bentonite on soil improvement. The re?sults showed that the content of the ion-exchange state that could be absorbed by plants decreased， and the contentof iron-manganese oxidation bound state and humic acid bound state that was not easily absorbed increased. Undersimulated acid rain conditions，the cadmium content in the leaching solutions of the two environments was less than0.2 mg/kg， and the cadmium fixation effect was good， which could improve the polluted soil and avoid secondary pol?lution.

Key words：environmental remediation；modified bentonite；soil improvement；cadmium fixation effect

隨著現代工業的發展，大量含重金屬的廢水排放，對水體和土壤的污染也愈加嚴重。鎘是環境中毒性最大和流動性最強的元素之一，由于其與鈣離子具備高度相似的化學行為，可進入人體并在體內累積，造成癌癥、腦梗死和心力衰竭等各種疾病。同時，土壤中的鎘離子還會對植物的生長產生影響，引起一系列中毒的癥狀。原位鈍化修復技術是目前較重要的土壤修復技術，通過鈍化劑對土壤進行改良，經濟又高效。但目前該技術還處于發展階段，現存鈍化劑吸附容量、效率和固化效果均無法達到理想要求。尋找一種經濟高效的鈍化劑是發展原位鈍化技術的重點，對此，部分學者也進行了很多研究，如丁園等[1-2] 對比分析了 4 種天然鈍化劑對污染土壤的改良效果。試驗結果表明，4種鈍化劑中，石灰石對污染土壤的修復效果最好，麥飯石次之，生物炭效果最差。閆雷等 [3] 則研究了炭基肥和菌糠生物炭作為鈍化劑時，對污染土壤的改良效果。以上學者的研究為鈍化劑的發展提供了參考，但并未解決其在酸雨條件下易重新釋放鎘造成二次污染的問題。基于此，本試驗以宋瑞明 [4] 論文為參考，以膨潤土的基材，制備了一種新型復合改性膨潤土鈍化劑，并對其固定效果及防二次污染的效果進行分析。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：膨潤土（一級品，興東誠化工）；鹽酸（AR，吉隆化工）；半胱胺鹽酸鹽（AR，九星化工）；九水硝酸鐵（AR，澤寬化工）；無水碳酸鈉（AR，納科新材料科技）；烯硫酸（AR，天澤達化工）；稀硝酸（AR，鋇豐化工）。

主要設備：MetOne804型電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 惠更斯儀器科技）；AC-3型光電子能譜儀（瑟奇科技）；Hoffen-10型傅里葉紅外光譜儀（鈦洛科學器材）；XY-3604AA型原子分光光度計（今時邁科技）；HH-6型恒溫水浴鍋（瑞涵儀器）；101-A型電熱烘箱（安奈斯儀器）；AXTG16G型高速離心機（安信實驗儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 巰基改性膨潤土的制備

（1）按照體積比1：10將天然膨潤土和鹽酸進行混合，在恒溫條件下攪拌活化，活化溫度和時間分別為85 ℃和5 h；

（2）對活化后膨潤土進行離心分離處理，用蒸餾水洗滌多次，直至洗滌液內不含有氯離子。將活化膨潤土置于電熱烘箱內烘干，烘干溫度和時間分別為110 ℃和6 h；

（3）將烘干產物研磨過篩，然后配制成質量分數為2%的懸浮液，然后按照10∶1的體積比將懸浮液與10 g/L半胱胺鹽酸鹽混合，在攪拌條件下進行巰基化處理，攪拌時間為4 h；

（4）5 000 r/min離心10 min，充分清洗離心產物后60℃烘干，研磨，過200目篩，得到疏基改性膨潤土。

1.2.2 復合改性膨潤土的制備

（1）在1 L濃度為0.1 moL/L的九水硝酸鐵溶液中放入一定質量的無水碳酸鈉，攪拌使其充分反應，攪拌時間為2 h。反應結束后恒溫水浴老化，老化溫度和時間分別為60 ℃和24 h，得到羥基與鐵離子的摩爾比等于2的多羥基鐵聚合物；

（2）將疏基改性膨潤土配制成2%的懸浮液。按照2∶1的體積比將多羥基鐵聚合物逐滴加入疏基改性膨潤土懸浮液，充分攪拌使其完全反應，反應時間為2 h；

（3）將反應后溶液在水浴條件下60 ℃老化2 h。

然后5 000 r/min離心10 min，分離離心產物并充分洗滌，70 ℃烘干5 h，研磨后得到目標產物。

1.3 性能測試

1.3.1 紅外光譜（FIIR）分析

通過傅里葉紅外光譜儀進行分析 [5-7] 。

1.3.2 鎘去除率分析

配制濃度為300 mg/L的鎘母液，投加鈍化劑后，通過原子分光光度計-火焰法測定溶液內剩余鎘離子含量，計算鎘離子去除率 [8-9] 。

1.3.3 模擬酸雨試驗

本試驗僅考慮酸雨中的主要陰離子成分，按照摩爾比4∶1將烯硫酸與稀硝酸，然后用去離子水稀釋至pH值為1～6，進行模擬酸雨試驗 [10-12] 。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

選擇普通膨潤土為對照，對復合改性膨潤土官能團變化進行分析，結果如圖1所示。

由圖1可知，相較普通膨潤土，復合改性膨潤土在 2 569 cm -1 和 1 387 cm -1 處均出現了新的振動峰，這分別歸屬于巰基官能團和鐵基官能引起的，表明巰基官能團和鐵基官能團成功負載在膨潤土上，即成功制備出復合改性膨潤土 [13] 。

2.2 吸附-脫附行為分析

通過對含鎘水溶液的處理，分析復合改性膨潤土對鎘離子的吸附-脫附行為。

2.2.1 投加量的影響

復合改性膨潤土投加量對鎘離子的去除率影響如圖2所示。

由圖2可知，復合改性膨潤土對溶液中鎘離子的去除效果明顯優于普通膨潤土。這是因為膨潤土經過巰基和聚羥基鐵協同改性后，其表面非均質性得到有效提升，同時，吸附方式從原來的單層吸附轉化為多層吸附，吸附位點增 [14] 。當投加量達到6g/L時，復合改性膨潤土提供的吸附位點已經足夠將體系內的鎘離子完全吸附，因此可認定，適宜的復合改性膨潤土投加量為6 g/L。

2.2.2 鎘離子解吸試驗

通過模擬酸雨系統進行鎘離子解吸試驗，確定復合改性膨潤土吸附鎘離子后的穩定性，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨pH值的減小，普通膨潤土對鎘離子的解吸率增加，當pH值降至1時，其解吸率接近100%。說明普通膨潤土對鎘離子的吸附極不穩定，在酸性條件下易釋放鎘離子，造成環境的二次污染。而復合改性膨潤土對鎘離子的解吸率隨pH值的降低幾乎不發生變化，始終維持在0%作用，說明就算在pH大于 3.5 的極端酸雨及自然天氣狀況下，復合改性膨潤土仍保持著較穩定的鎘吸附性能，能有效避免鎘離子的重新釋放所造成的二次污染現象 [15] 。

2.3 對土壤改良效果分析

通過對鎘污染盆栽土壤進行處理，探究復合改性膨潤土對土壤的改良效果。

2.3.1 施入量對土壤鎘穩定性的影響經測定，盆栽土壤中鎘老化濃度為300 mg/kg，以普通膨潤土為對照，觀察材料對土壤鎘穩定性的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，在同等施入量的條件下，復合改性膨潤土對鎘的固定效果明顯優于普通膨潤土。當復合改性膨潤土施入量達到9 g/kg時，體系內總鎘濃度降至101.32 mg/kg時，降低了66.22%，表現出良好的固定效果。繼續增加施入量，體系內總鎘濃度不再發生變化，說明在土壤中，復合改性膨潤土最佳施入量為9 g/kg。值得注意的一點是，復合改性膨潤土在水溶液中的最佳投加量為6 g/L，在土壤中最佳施入量為9 g/kg，考慮是因為膨潤土在土壤中的有效分散程度低于其在水溶液中的有效分散程度，因此在土壤中的施入量大于在水溶液中的投加量 [16-17] 。

2.3.2 浸出鎘測試

通過模擬酸雨條件，對膨潤土改良的鎘污染土壤浸出鎘情況進行分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，在模擬酸雨條件下，污染土地浸出液鎘濃度約為166 mg/kg，施入普通膨潤土的土壤浸出液鎘濃度有一定下降，約為83 mg/kg。說明在酸雨條件下，普通膨潤土可能重新釋放鎘，對土壤造成二次污染。而經過復合改性膨潤土改良的土壤浸出液鎘含量僅有0.18 mg/kg，表現出良好的固定效果，可有效避免二次污染的現象。

3 結語

本試驗制備的復合改性膨潤土表現出良好的鎘固定效果，在改良鎘污染土壤方面存在一定優勢。

（1）光電子能譜和紅外光譜結果表明，巰基官能團和鐵基官能團成功負載在膨潤土上，完成了對膨潤土的改性；

（2）復合改性膨潤土對鎘離子的吸附-脫附行為測試結果過，過酸過堿的環境對于復合改性膨潤土吸附體系鎘離子均產生不良影響。復合改性膨潤土吸附鎘后，在模擬酸雨條件下不會重新釋放鎘，具備較穩定的吸附性能；

（3）復合改性膨潤土可有效降低可被植物利用吸收的離子交換態的含量。經過復合改性膨潤土改良的土壤栽種的白菜苗的生長情況與未污染土壤栽種的白菜苗類似，白菜苗莖葉和根部的鎘含量降至0.2 mg/g以下，滿足GB 2762—2005《食品中污染物限量》中對食物中含鎘≤2 mg/kg的規定；

（4）在模擬酸雨條件下，經過復合改性膨潤土改良的污染土壤浸出液中鎘含量僅有0.18 mg/kg，表現出良好的鎘固定效果，改良污染土壤的同時有效避免二次污染的現象。

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（責任編輯：張玉平）