铬污染土壤稳定化处理研究及应用开题报告

2020-02-10 22:36:09

1. 研究目的与意义（文献综述）

目的及意义

土壤是生态系统的重要组成部分，是农业生产的基础，是粮食安全生产的源头。但我国人均耕地面积远低于其他国家，而且环境污染及生态破坏日趋严重，耕地污染也在不断加剧，这不仅阻碍了农业的可持续发展，也严重地影响了人民的生活质量及健康状况。2014年环保部联合国土部公布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，全国土壤总的超标率为16.1%，而其中21.7%的土壤污染是由重金属引起的，而每年土壤重金属污染使粮食减产约1000万吨，另外有1200万吨粮食被重金属污染，直接经济损失至少200亿元。

铬在环境中主要以Cr （III）和Cr （Ⅵ）的形式存在，其中Cr （Ⅵ）的毒性最大，是国际癌症研究机构认定的确定致癌物，具有很强的氧化损伤作用，可以导致DNA断裂、染色体畸变、基因突变和细胞恶性转化。中国是全球最大的铬盐生产和消费国，铬盐生产过程中会产生大量高浓度的含铬废水和铬渣，高浓度的铬会对土壤中的动植物及微生物产生毒害效果，影响土壤生态系统的正常运作，改变土壤的理化性质，还可以通过食物链的富集作用，最终对人类的身体健康产生危害。因此，研究铬污染土壤稳定化具有重大意义。

铬污染土壤的修复主要有两种思路:一是改变铬在土壤中的存在形态，将Cr(VI)还原为Cr(III)，降低铬在土壤中的毒性及生物可利用性;二是将铬从污染土壤中移除。

油基钻屑是页岩气开采过程中产生的危险固废，是一种粘稠状黑色半固体，一般呈碱性，pH大于7，主要由磨碎的页岩、黏土、重金属、压裂液、石油烃类物质和其他化学添加剂组成。油基钻屑一般具有较高的含水率（10%~20%）和含油率（6%~40%），其中的水、油、表面活性剂等相互作用而乳化，使其形成油包水(W/O)、水包油(O/W)结构，难以进行固液分离。目前，处理油基钻屑的常用方法为填埋法、微生物法、焚烧法、萃取法、热解法等，其中热解法应用最为广泛。热解技术不仅可以从油基钻屑中回收油类，而且可以有效减少体积，产生的热解灰渣也具有再利用的潜能。目前，鲜有关于油基钻屑热解灰渣的回收利用的报道，大部分这些残渣仍然在专门的垃圾填埋场处理，可能造成资源浪费，是二次污染的隐患。

由于低价态的S和Fe可以将强氧化性Cr（VI）还原为Cr（III）并使其沉淀，因此它们通常用作处理含Cr（VI）废水的还原剂。常用的还原剂包括：元素硫、低价硫化合物、低价铁化合物、零价铁等。根据文献，油基钻屑热解灰渣的主要元素是C，S，Fe，Si，Al，Ca。在这些元素中，S和Fe主要以低价态和还原态存在，与常用的六价铬还原剂具有相似的成分。

因此，本文拟采用油基钻屑热解后的灰渣作为土壤中铬的稳定剂，不仅可以避免油基钻屑热解灰渣重新进入环境造成的二次污染，同时也土壤中为Cr（VI）的去除提供了新的处理材料。

国内外研究现状分析

铬污染的首要原因是人类活动。铬的开采、冶炼、铬盐的制造、电镀、金属加工、制革、油漆、颜料、印染工业以及燃料燃烧排出的含铬废气、废水和废渣等都是铬污染源。目前国内冶金和化学工业中每年排出20万～30万t含铬废渣。铬渣中的有害成分主要是可溶性铬酸钠、铬酸钙等六价铬离子。当铬渣在露天堆存时，经长期雨水冲淋后大量的六价铬离子随雨水溶渗、流失、渗入地表，从而污染地下水，也污染了江河、湖泊，进而危害农田、水产和人体健康，且不容易降解。

目前，铬污染土壤的修复主要有两种思路:一是改变铬在土壤中的存在形态，将Cr(VI)还原为Cr(III)，降低铬在土壤中的毒性及生物可利用性;二是将铬从污染土壤中移除。

国内外铬污染土壤稳定化处理方法分为两种：一是利用化学，生物方法对铬消减，净化，固定；二是通过还原作用将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ），使铬转化为毒性较低的Cr（Ⅲ），降低铬的移动性和植物生物可利用度，人体生物可及性，从而减小铬的危害。处理铬（Ⅵ）污染的方法主要有：电渗析法，反向渗透法、沉淀-还原及吸附法。与传统工艺相比，吸附法因具有成本低、操作简便、去除效果好的特点。目前常用的吸附剂有活性炭、膨润土、粉煤灰、壳聚糖、细菌和藻类等材料。

李浩等使用碱激发矿渣胶凝材料固化/稳定化铬污染土壤，在KOH的激发作用下，当液固比为0.22，矿渣掺量为30%时，Cr(VI)浸出浓度从_57 mg/L降至0.05 mg/L，总铬浓度从65 mg/L降低到0.2 mg/L以下。S Wang和Vipulanandan在沙土(79%),高岭土(20%)和有机质(1%)的混合污染土样中，加入20%的水泥后，浸出液中的Cr(VI)可减少37%，加入10%的FeCl₂后，浸出液中Cr(VI)减少了92%，若先通过FeCl₂还原Cr(VI)再用水泥进行S/S处理，处理效率达到了99%。

Gent等在实验室和实际场地都进行了电动修复实验，结果发现，土壤中78%的Cr(VI)能够被还原，而且电动修复的规模越大，铬的去除效率就越高。薛浩等通过改变柠檬酸和乙酸的浓度和酸化土壤时间，探讨了酸化预处理对电动修复铬污染土壤效果的影响，结果表明，酸化预处理一电动强化修复技术可以显著提高污染土壤中铬的去除率，其中加入0.9 mol/L柠檬酸酸化5d后，总铬和Cr(VI)的去除率可由6.23%、19.01%分别提高至26.97%和77.66%。

孙玉焕等采用土柱淋洗法研究柠檬酸、草酸和盐酸三种酸的淋洗对铬去除

效果的影响，结果表明，用草酸溶液作为淋洗剂时，能达到最好的修复效果，总

铬累计淋出量为2304mg/kg，上层、中层和下层土壤总铬去除率分别为79.6%,

78.1%和69.6%, Cr(VI)去除率为87.8% , 86.2%和75 %，上层的修复效果最好。

Esfahani A R等利用海泡石改性纳米零价铁(S-nZVI)来还原稳定Cr(VI),当pH=4.7, S-nZVI浓度为1.3 g/L，反应时间为75分钟时，Cr(VI)去除率可达

98.15%。李芸邑等用硫代硫酸钠还原铬渣中的Cr(VI)，当其与Cr(VI)的摩尔比

为理论摩尔比的12倍、处理时长为15d时，Cr(VI)的去除率可达70%，当用磷酸

钠作为还原后土壤的稳定剂时，硫代硫酸钠与磷酸钠分步加入比同时加入的处理

效果好。MK Michailides等发现糖浆稀释溶液在酸性条件下能够通过化学还原

作用将Cr(VI)还原为Cr(III)，其反应机理是在酸性条件下，工业糖浆中含有的有机还原物质，如植物多酚、有机酸等能够提供电子将Cr(VI)还原为Cr(III)。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

（1）查阅铬污染土壤稳定化的国内外研究现状与进展；

（2）根据油基钻屑热解灰渣对六价铬的稳定效果及热解工艺的影响因素，总结国内外经验，设计均匀实验确定油基钻屑热解的最佳温度、保温时间、升温速度等；

（3）油基钻屑热解灰渣对土壤六价铬的还原修复规律及动力学研究；

（4）油基钻屑热解灰渣对铬在土壤中稳定性的影响及修复机理分析。

技术方案

3. 研究计划与安排

第1~2周：进行毕业实习，撰写毕业实习报告。

第3~4周：确定选题方向，查阅与课题有关的资料并对所收集的资料进行整理，明确研究内容，了解与确定研究方案，撰写开题报告。

第5~9周：了解课题组现研究成果。确定最终实验方案。启动铬污染土壤稳定化实验，对油泥钻屑进行热解，同时着手论文的写作。

第10~12周：改变实验条件，研究热解产物对土壤中六价铬的去除效果。

第13~14周：总结研究的相关成果，对各种数据进行汇总分析，完成毕业论文的初稿与定稿。

第15周：准备答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

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[14]Jia Zhang,Linpeng Chen,HuilinYin,Song Jin,Fei Liu,Honghan Chen. Mechanism study of humic acid functionalgroups for Cr(VI) retention: Two-dimensional FTIR and 13C CP/MAS NMRcorrelation spectroscopic analysis[J]. Environmental Pollution,2017,225.

[15]Samuel Barnie,JiaZhang,Hui Wang,Huilin Yin,Honghan Chen. The influence of pH, co-existing ions,ionic strength, and temperature on the adsorption and reduction of hexavalentchromium by undissolved humic acid[J]. Chemosphere,2018.

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