淋洗法和稳定化法修复镉污染土壤

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2015届硕士研究生学位论文:10269分类号:学校代码1120802054密级:学号:5Ci)?一办EastChinaNormarilUnivesty??.硕士字位记文'SDMASTERISSERTATION,■….:论文题目:淋洗法和稳定化法修复镉污染土壤院系:生态与环境科学学院专业:环境科学研究方向:城市水资源与水环境指导教师:张明副教授学位申请人:孙嘉2015年5月 2015届研究生硕士学位论文分类号:学校代码:10269密级:学号:51120802054⑩攀良崎托^犬等EastChinaNormalUniversity硕士学位论文'MASTERSDISSERTATION论文题目:淋洗法和稳定化法修复镉污染土壤院系:生态与环境科学学院专业:环境科学研宄方向:城市水资源与水环境指导教师:张明副教授学位申请人:孙蓋2015年5月 DissertationforMasterUniversityCode:10269Dereeof2015ECNUNumber:51120802054gEastChinaNormalUniversitySoilremediationforCadmiumcontaminatedsoilbywashingandstabilizationtechnologyDeartmentSchoolofEcoloicalandEnvironmentpgScienceSecialtyEnvironmentalSciencepResearchAreaUrbanwaterresourceandenvironmentSuervisorAssociateProfessorZhangMingpAuthorSunLeiMay,2015 华东师范大学学位论文原创性声明郑重声明:本人呈交的学位论文二《灰彳t?'是在华东师范大学攻读/淋丨定丨、成妙博士(请勾选)学位期间,在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体,均己在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名:日期年广月日”华东师范大学学位论文著作权使用声明《琳也竹》系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的,博士(请勾选)学位论文,本论文旳著作权归本人所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文,并向主管部门和学校指定的相关机构送交学位论文旳印刷版和电子版;允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅;同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索,将学位论文的标题和摘要汇编出版,采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于(请勾选)"”“”*()1.经华东师范大学相关部门审查核定的内部或涉密学位论文,于年月日解密,解密后适用上述授权。、r力2.不保密,适用上述授权。导师签名认容名]'厂年广月日”*“涉密学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员‘审定“”过的学位论文(需附获批的《华东师范大学研宄生申请学位论文涉密审批表》方为有效),未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文,。此声明栏不填写的默认)为公开学位论文,均适用上述授权。 硕士学位论文答辩委员会成员姓名职称单位备注—料Si;!:巧 华东师范大学2015年硕士毕业论文摘要摘要土壤镉污染主要是由于人类活动造成的,含镉污染物会降低农作物的产量和质量,土,并通过食物链进入人体而损害人体的健康。目前壤镉污染已引起广泛关注。本文幵展了淋洗法和稳定化法对人工配制的镉污染土壤的实验室修复小试研究;稳定化修复。淋洗法修复研究的主要内容有淋洗剂淋洗条件的蹄选研究的一主要内容为单稳定剂和复合稳定剂修复实验。主要研宄结果如下:(1)比较了EDTA、梓檬酸、酒石酸、草酸、盐酸和去离子水6种淋洗剂对镉污染土壤的淋洗效果,蹄选出EDTA、酒石酸和盐酸作为较佳淋洗剂进行后续实验,探究较佳的淋洗条件。EDTA的最佳淋洗条件为:浓度为O.lmol/L,pH值为3,淋洗时间为8h,镉的去除率为71.04%。酒石酸的最佳淋洗条件为:浓度为0.05niol/L,淋洗时间为6h,镉的去除率为71.87%。盐酸的最佳淋洗条件为-0,4h。浓度为.05mol/L淋洗时间为,镉的去除率为79.64%淋洗两次效果优于淋一次:1酒石酸为1:15。洗,淋洗剂的土液比EDTA和盐酸为10,(2)选取了石灰、磷酸二氢钾、膨润土和粉煤灰作为稳定化法的稳定剂。当石灰的添加量为1%、憐酸二氢钾的添加量为10%、粉煤灰的添加量为5%时,浸出液中镉的浓度分别为为0.555mg/L、0.994mg/L、0.028mg/L,均低于《危险--废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.32007)中浸出毒性的标准值Img/L。此时土壤的pH值分别为8.37、6.06、9.60。当膨润土的添加量为20%时,浸出液中镉的浓度为1.284mg/L,仍然大于国家标准中的浸出毒性标准值。石灰、憐酸二氢钾和粉煤灰可以作为镉污染土壤的稳定剂》一(3)在单稳定剂修复的基础上设计了复合稳定剂修复实验,结果表明:一稳定剂修复的效果5%石复合稳定剂修复的效果稍微优于单。当药剂组合为0.灰+5%憐酸二氬钾、0.5%粉煤灰+5%磷酸二氢钟时,镉的浸出浓度分别为0.942nig/L和0.913mg/L。粉煤灰和石灰的添加量为1%时,镉的浸出浓度均符合标准。磷酸二氢钾的添加浓度为10%时,浸出浓度也符合相关标准。实验得出0.5%粉煤灰+5%隣酸二氢钾,0.5%石灰+5%憐酸二氢钟为较理想的复合修复组合。:镉污染土壤,土壤修复关键词,淋洗法,稳定法I 华东师范大学2015年硕士毕业论文摘要AbstractCadmiumpollutioninsoilsystemismainlyduetohumanactivities,whichwillreducetheieldandualityofcrosandenterthebodthrouhthefoodchainandyqp,ygharmhumanhealth.Atpresent,soilcadmiumpollutionhascausedwidespreadconcern.Thisaerstudiedtheleachintechnoloandstabilizationtechniuetoreairppggyqpthecadmiumcontaminatedsoilvialabexperiment.Theurposeofsoilwashinistopgselectthearopriateleachingagentandresearchtheoptionaloperatingppconditions.Themaincontentofstabilizationistodeterminetheaddinroortionofgppstabilizers.Themainconclusionsareasfollows;(l)ComparedEDTA,citricacid,tartaricacid,oxalicacid,hydrochloricacidanddeionizedwatereffectonleachingofsoilsamplesselectedEDTA,tartaricacidandhdrocht-tyloricacidastheeluentbeterfollowuexerimentoexlorebetterleachinpp,pgconditions.EDTAoptimumleachingconditionsareasfollows:theconcentrationofO.lmol/L,pHvalueof3,leachingtimewas8h,cadmiumremovalwas71,04%.Besttartaricacidleachinconditionsasfollows:theconcentrationof0.05mol/Lleaching,gtimewas6hcadmiumremovalwas71.87%.Besthdrochloricacidleachin,ygconditcentt0Lt4hionswere:conraionof0.5mol/leachinimewascadmiumremoval,,gwas79.64%.Afterrinsingtwicebetterthantheleachingonetime,thebettersoiltoliuidratioasfollows:EDTAandlis:0araricacid:qHC11,tt115.2Selectedlime,otassiumdihdroenhoshatebentoniteandflashasthe()pygpp,ystabilizerstabilizationtechniues.Whenlimeisaddedinanamountof1%otassiumqpdihdroenhoshatecontentis10%flashaddin5%theleachinsolutionofygppyg,gcadmiumconcentrationsof0.555mg/L,0.994mg/L,0.028mg/L,werelowerthanthe""hazardousWasteIdentificationstandardextractionproceduretoxicitGBy(5085-2007tILAt.3leachinstandardvaluetoxicim/.thisointtheHofthesoil)gygppwas837,6.06,9.60.Whenbentonitedosage20%,theconcentrationofcadmiumleachinsolut14mLsstittgionwas.28/whichillreaterthanthenaionalsandardg,gtleachingtoxicitycrieriavalues.Thuslimeotassiumdihdroenhoshateandfl,,pygppyIII 华东师范大学2015年硕士毕业论文^ashcanbeusedascadmiumcontaminatedsoilstabilizer.(3)Onthebasisofasinglestabilizerrepaironthedesignofthecompositerepairexperimentalresultsshowedthat:theeffectofcompositerestorationstorepairalittlebetterthanasinleefect.Whenthedrugcombinationwas0.5%+5%gpotassiumdihydrogenphosphateoflime,flyash0.5%+5%potassiumdihydrogenhoshateleachinconcentrationwas0.942m/Land0.913m/Lbetterthanthepp,gggsnreareectenfashandmeosaeof1theeachnconcentratonsiglepif.Whlylidg%lii,gwereutostandard.Addinotassiumdihydrogenhoshateconcentrationis10%pgppp,theleachingconcentrationalsocomplywiththerelevantstandards.0.5%ash+5%KH2P04,0.5%CaO+5%KH2P04idealforrepairingcombinationKewords:CadmiumcontaminatedsoilsoilremediationleachingystabilizationIV 华东师范大学2015年硕士毕业论文05.目录摘要IAbstractiii-mm绪论11.1研究背景11.2重金属污染的修复方法11.22.1物理修复1.2.2化学修复31.25.3生物修复.1.24农业生态修复91.3本文旳研究目标、研究内容及技术路线1113.111.研究目标13.2.研宄内容113311..技术路线314第二章供试土壤的准备214.1供试土壤的配制2.2实验材料及方法14214.2.实验准备12.2.2土壤H的测定15p2.2.3土壤中镉的全量测定152..24土壤中镉的形态分析1522.1.5数据处理与统计62.3实验结果及分析16'、2.4本章j结18第三章淋洗法修复镉污染土壤1913.1引言93.2材料与方法2013.2.淋洗剂的筛选203.2.2最佳淋洗浓度的确定2132.31.最佳淋洗pH的确定213.2.4最佳淋洗时间的确定23.2.5最佳土液比的确定223.3结果计算与分析223.4结果与分析2231不.4.同淋洗剂的淋洗效果223.4.2淋洗浓度对淋洗效果的影响243.4.3淋洗pH对淋洗效果的影响27III 华东师范大学2015年硕士毕业论文34.429.淋洗时间对淋洗效果的影响3.4530.土液比对淋洗效果的影响.3.46淋洗次数对淋洗效果的影响323.5本章小结34第四章稳定化法处理镉污染土壤354.1弓35I言4.2材料与方法354.2.1实验材料354..22实验方法364.3实验数据的处理374.4觀与分析384.4.1石灰对污染土壤的修复作用384.4.2磷酸二氢钾对污染土壤的修复作用394.4.3膨润土对污染土壤的修复作用39.44.4粉煤灰对污染土壤的修复作用404.5复合修复:414.6本章小结425结论与展望445.1445.2展望4546S[谢53tv 华东师范大学2015年硕士毕业论文第一章第一章绪论1.1研究背景土壤与大气、水等环境要素相互联系,共同构成人类及各种生物生存所需的生态系统。人类无止休地从自然界索取资源用于发展,同时又不断地向自然界排放各种废弃物。污染物的大量排放超出了环境系统的自净能力,造成了严重的大一气、水和土壤的污染。每种污染都会直接或间接地影响着人类的健康。土壤环境污染使人类淡薄的环境保护意识付出代价,人类终于认识到环境保护的重要性。2014年环保部与国土资源部发布的土壤污染调查报告显示,我国约有16.1%⑴的土壤受到了各种污染。在所有土壤污染物类型中,重金属污染最为普遍,其一污染的点位超标说在80%以上。土壤的重金属污染主要出现在些重污染企业、采矿区、工业园区和污水灌溉区。在所有超标的重金属中,镉是超标数量最多的“”一种重金属,,由此看来镉米事件频发也在意料之中了。“”土壤中旳重金属主要来自于工业三废包括含重金属污水的灌溉、工业废2一渔的堆放以及大气沉降等[】肥的施用也是土壤重金属的,含重金属的化个重要【3】的来源。4][重金属在土壤中具有隐蔽性和不可生物降解性,容易在植物体内富集,最终进入人体,重金属能够损害人体的健康。如铅进入人体后,与人体中的某些酶,。结合,使其丧失生物活性;或改变酶的活性部位的构象使酶的生物活性减弱5[]对人的神经系统、消化系统、心血管系统、免疫系统及生殖系统都会造成损害。近年来,我国有关部门对重金属污染十分重视,在2004年,环保部对搬迁-。企业提出严格的要求:企业在搬迁之前必须对企业的原址土壤进行检测分析检测结果如果不符合相关的规定,直至达到,由当地环保部门对土壤修复进行监督“”相关的标准。2011年,国务院对十二五期间重金属污染防治规划进行了批6[]复《》、企业等。,规划提出了重点的污染物、区域、行业1.2重金属污染的修复方法重金属污染土壤的修复,是指采用科学技术或方法去除土壤中的重金属或者1 华东师范大学2015年硕士毕业论文第一章降低重金属在土壤中的活性,来恢复土壤正常的生态系统功能,减少土壤中的重金属被植物吸收利用,切断重金属通过食物链向人体转移的途径。土壤重金属污染己得到广泛关注,成为亟待解决的环境污染问题。根据重金属污染物的特点,国内外研宄者提出了物理修复、化学修复和生物修复的方法。1.2.1物理修复1.2.1.1换土、客土、去表土、翻土法换土法就是取走受污染的土壤,换入干净的土壤,置换出的土壤集中处理。客土法是将大量干净的土壤覆盖在受污染的土壤之上,或者将二者混合均勾,其目的是降低土壤中重金属的浓度或者减少植物根系与重金属的接触。去表土是指去除表层污染的土壤,以降低重金属的浓度。翻土法是通过将污染的土壤深耕,[力,地下干净的土壤翻出地表。使受污染的土壤进入地下,从而稀释重金属该类方法的治理效果显著,也不受土壤自身理化条件的制约。但需要大量的人力、物力以及投资,也可能造成二次污染。同时,土壤的肥力会下降,需要补充肥料。这类修复方法适用于污染面积小并且污染严重的土地。1.2.1.2电动修复电动修复是电化学在污染土壤治理中的应用,该方法是美国率先研宄出来并一在实际修复中广泛使用的种技术其原理是:利用重金属离子在电场作用一下定向移动的原理。具体操作为,:在水饱和的污染土壤中插入些电极并通低直流电形成电场,土壤中的重金属在电场的作用下向电极室运动,主要是通过电迁移、电渗流和电泳的方式到达电极两端,然后收集在电极室中的重金属进行集[…中处理,从而修复重金属污染的土壤。电极最后选用石墨电极,避免造成二n[]次污染。影响处理效果的主要有电流强度以及电极的数量等。电动修复主要修复透水性差的粘土类土壤重金属污染是效果显著。而且电动修复技术修复的效果好、二次污染少,在重金属污染土壤修复方面具有良好的前景。1.2.1.3玻璃化技术重金属污染的土壤在高温和高压的环境下会溶化成玻璃态的物质,使得重金12一1]属与土壤同时固定在玻璃态的物质之中。在般条件下,玻璃态物质较为稳13[】定,外界条件的变化难以使其结构发生改变。因而几乎不会产生二次污染。该技术可彻底去除放射性的重金属。2 一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章一在实际工程应用的过程中,通常会遇到土壤难易统懷化及地下水渗透等方面的问题。此外,溶化过程消耗大量的电能,增加了该技术实际应用的成本。该技术适用于污染严重的小面积污染区域或放射区域污染。1.2.1.4热解吸法该修复方法是将土壤进行加热,如利用微波、蒸汽、红外辖射等技术将重金属污染的土壤进行加热升温,从而使土壤中那些容易挥发的污染物(如录、硒)挥发后收集起来集中处理。国外有研宄表明,该方法可以去除Hg污染土壤中99%以上的萊含量,而且收集到的萊蒸汽的纯度也高达99%。一该方法在实际修复应用中也存在定的限制,要使土壤中的污染物挥发,即°要加热到非常高的温度,例如萊的沸点为356C,该过程消耗大量的热能。除此之外,将土壤加热升温也会造成土壤中水分、营养物质的损失,影响土壤的生产性能。该方法也容易造成二次污染。12..1.5隔离法隔离法是将受到污染的土壤与未污染的土壤或者水体分隔开来,从而减少或阻止污染物向其他土壤或水体中扩散过程、。该方法在污染严重污染物易于扩散且容易分解的土壤中应用较广。1.2.2化学修复1.2.2.1土壤淋洗法,会与土壤发生作用重金属在进入土壤后,包括整合、吸附、沉淀及离子交9[]换。土壤淋洗法是利用装置向重金属污染的土壤中注入淋洗剂,淋洗剂能够与14一][重金属发生系列的物理化学反应,最后把重金属从固相转移到液相中。在实际的工程修复中,要将被污染的地表层土挖掘出来再经过初次筛选后去除土壤表层的残渣,然后再将土壤分散成多个大块土,将其与淋洗剂充分混合,再经过15二[]第步的筛选分离,最后用清水淋洗去除还残留在土壤中的过量的淋洗剂。这样处理后的土可以再放回到原位进行重新的利用。这些含有重金属的废水要进14一[]步回收重金属或处理。,多种多样。在土壤重金属污染修复中经常应用的有淋洗剂种类林林总总:14][氨基多幾酸类、天然低分子有机酸、无机酸等。氣基多幾酸类包括人工合成的整合剂和天然的螯合剂。天然低分子有机酸包括醋酸、梓樣酸、酒石酸、草酸、苹果酸、丙二酸等。无机酸主要有盐酸、硝酸、硫酸和隣酸等。3 .I一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章尽管可选的淋洗剂的种类繁多,但是既能够保证去除各种形态的重金属,又不会影响到土壤结构和理化性质,而且不会产生二次污染的淋洗剂数量并不多。而且一,由于淋洗剂各自的性质不同,因此同种淋洗剂对不同的种类重金属的提取效果并不尽相同。所以,找到合适的淋洗剂是淋洗修复技术的重中之重。16[1无机酸具有腐蚀性,会对土壤结构及性质产生严重破坏,影响土壤的利用。人工合成的有机整合剂对重金属的淋洗效果较好,经济成本也不高,但是整合剂,添加过量会与土壤吸附,残留在土壤中影响土壤的结构及养分,并且容易造成^1二次污染[^天然有机酸可以被环境中的微生物降解土壤中残留,不会在,对土壤不会产生危害,而且对重金属的去除效果比较理想。21.2.2.稳定化修复稳定化修复最早用在吸附剂固定水体中的一些重金属随后这项技术逐渐被应用于土壤中重金属污染的修复之中。土壤稳定化修复的机理是向污染的土壤中加入特定的稳定剂来改变土壤旳理化性质,或者直接通过稳定剂与重金属的作19[]用来改变重金属的赋存形态,从而降低重金属旳、迁移性及生物有效性。稳定剂与土壤重金属有多种作用,如沉淀作用、吸附作用、配位作用、有机络合作用和氧化还原作用等污染土壤中的重金属被稳定剂画定住后,可以减少重金属向其他土壤中或地下水中转移,土壤也可以进行耕种。稳定剂的种类非常,有机稳定剂如多:树皮、银末、壳聚糖、甘鹿渣、树叶、家禽有机类便、活性、生污泥等:石灰石灰、磷酸盐、经磷矿石、粉煤灰、炉渣等;;无机稳定剂如-无机复合稳定剂如城市固体废弃物等有机。21一[]不同的重金属元素有着不同的理化性质。所以很难找到种稳定剂能够降低所有重金属的移动性一。因此稳定化法的关键在于找到种有效且经济的稳定剂。重金属在进入到土壤之后,会与土壤中的重金属发生离子交换、络合、吸附、沉一22]淀等系列的物理化学反应[重金属的修复的效果与添加的稳定剂,稳定化对23[]的理化性质等有紧密关系。稳定化修复后土壤的理化性质会发生改变。当土壤的环境发生变化时,土壤中被稳定化的重金属可能重新释放出来造成二次污染。1.2.2.3结抗作用多种重金属在土壤中会存在措抗作用,这些离子之间的捨抗作用有可能会降24[]一,低重金属的污染。根据重金属的这特性向重金属污染的土壤中加入对人体没有危害或有益于人体健康的与土壤重金属具有捨抗作用的另一种金属,在促进植物生长的同时还可以减少土壤植物对有害重金属的吸收。有研究表明,Si4 华东师范大学一2015年硕士毕业论文第章与Mn存在拮抗作用,Zn与Cd存在措抗作用。Ca与Pb、Zn、Cu、Ni等具有一C,可以减少水稻、拮抗作用,在以上重金属污染的土壤中添加定量的a离子25[]番游对土壤中重金属的吸收量。26[]1.2.2.4利用天然矿物治理重金属污染一土壤自身具有一定的自净能力,根据这原理,开发环境矿物材料(天然铁2[力)猛氧化物及氢氧化物修复土壤重金属污染。土壤自净能力与土壤中的各种天然的矿物对这些重金属的固定、吸附与解吸释放等紧密相关。有的科学研宄者28认为[]土壤中天然的铁猛氧化物及其氧氧化物对重金属具有非常明显的化学,吸附特征而且具有氧化还原作用。123..生物修复生物修复是指利用植物或者微生物等的生命代谢活动,以减少土壤环境中有29][效重金属的浓度,或使其完全没有危害的修复方式。通过修复之后的土壤可30丨]以部分或完全恢复到原初清洁状态。根据修复时土壤的位置变化又可以划分分为原位生物修复和异位生物修复。原位生物修复指的是修复时并不移动受污染的土壤,通过直接添加某些营养物质等使被污染的土壤能够直接与植物或者微生3】些污染物分解的技术[]。物进行接触,来加快这异位生物修复就是将被严重污染的土壤。、沉积物等移动到其他地方集中起来再进行生物修复32—[]生物修复技术治理土壤中重金属的思路主要有如下两个:种是借助生物的新陈代谢产物来作用改变重金属在污染土壤中的存在形态,来把重金属固定起来或者解除毒性,这样就可以降低重金属在土壤中的移动性或者生物的有效性。二、通过植物体或微生物的吸收过程达到对重金属的净化或者固定作用与其他修复技术相比而言,生物修复的有成本比较低、不会产生二次污染、在操作上‘也简单易行、处理的效果很好、能够在大面积污染的土壤上推广应用。具有良好33[】的生态效益及社会效益,应用前景广泛。1.2.3.1植物修复技术植物修复是指在修复过程中利用某些自然界原来存在旳或者通过遗传工程技术培育处理的能够超累积重金属的植物以及植物根际的微生物生态系统使得重金属能够移动、挥发或者被稳定在土壤中从而能够降低重金属的毒性和生物有34[]效性,以此达到清除污染、修复土壤目的的修复技术。根据超累积植物修复土壤中重金属的作用机理,研宄者们将植物修复技术划分为植物提取、植物挥发5 -rV?!一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章35[]以及植物固定这三种基本的类型。1.21.1.3.植物提取植物提取技术就是利用植物对土壤重金属进行吸收,这类植物能够耐受并且可以累积那些重金属,植物吸收重金属之后将转移、It存在植物地上的部分,最后将植物进行收割,收割后的植物由于含有重金属,这些植物要集中妥善处理,这样一来便降低了土壤中重金属的含量,并且降低土壤重金属危害风险的修复技36“”][些存在多术。此外,植物还能够在其体内对重金属进行降解,具体是指那种价态的重金属在进入植物的体内以后,植物体的生长代谢过程可以改变这些重金属的价态,进而改变重金属的生物毒性。植物体内的某些蛋白质也可以与重金37[]属进行结合,同样能够改变重金属的毒性。38[]富集重金属的植物分为两大类:自然界超累积植物和诱导的累积植物。自然界中能够富集重金属的植物有向日葵、大麻、芥子草、油菜、杨树、芒麻等但植物在富集重金属的时候有一定的选择性。如十字花科遏蓝菜属能够富集Cd9和Zn而对其他重金属富集效果不好[];38][植物提取主要划分为连续植物提取、螯合剂辅助的植物提取这两种类型。连续植物提取能够按照上述超累积植物的方式在其整个生命过程中吸收、运输和累积土壤中的重金属。螯合剂辅助植物提取是指当土壤环境中的重金属以难溶状态存在于土壤时,植物不易将其吸收,通过向土壤中添加螯合剂可以提高重金属39[]EDTA在土壤中的溶解度,进而提高植物对其的可吸收性。常用的整合剂有和EDDS等植物修复可作为淋洗修复的后续修复。植物根系分泌物可以影响土壤的氧化还原电位、土壤pH、阳离子交换量、土壤团聚体的大小及吸附性3[力等。土壤理化性质是对植物修复的效率具有重要影响。1.2.3.1.2植物挥发植物挥发利用的是植物的根系能够分泌某些特殊的物质,这些物质能使土壤环境中的某些重金属(如As、Hg、Se)转化成为挥发状态,或者是植物吸收环境中的上述几种重金属,在体内将这些重金属转化成为可以挥发的状态将其释放到大气中,这样就可以达到净化污染土壤旳目的。研宄较为详细的主要有Hg和4i[]Se。Hg在环境的形态很多,如元素萊、有机萊化合物、无机萊离子等,这些存在形态中萊的有机化合物中的甲基亲毒性非常大,并且易被植物吸收富集。42[]1111181等将细菌中的萊抗性基因转移到植物汇总,使其在较高的萊含量的土壤中生长,而且还可以将土壤中的亲转化为可挥发的单质衆。水稻、胡萝卜等能够6 华东师范大学2015年硕士毕业论文第一章将土壤中的三价硒转化二甲基硒,甲基硒的毒性较低而且具有挥发性。由于该技术是将土壤中的污染物通过植物的作用重新释放到大气中,因此对环境仍具有危害性。1.2.3.1.3植物固定植物固定又被称作植物稳定,该技术是利用某些耐受性的植物以及超累积的植物的生物化学作用来降低在土壤中的重金属的移动性以及生物有效性,同时也减少重金属在土壤中通过空气扩散污染环境或者淋溶作用污染到地下水的可能43一[]性。植物固定修复作用有主要有两个:个是保护受到重金属污染的土壤不会受风蚀和水烛,重金属污染的土壤如果缺少植被的保护,容易受到侵烛作用,44[]会使重金属向周围的环境中扩散。减少侵蚀作用的最简单直接的方法就是在受污染的土壤上栽种植物。二是借助植物的分泌作用将重金属固定在植物的根部9][。如污染土壤中的铅与植物根系分泌物中的磷酸盐结合生成难溶性的磷酸铅,从而达到固定铅的目的,由于铅被固定在了土壤中,这样就减少了铅的生物有效45][性及其移动性。根系能够分泌點胶类的物质,这些物质可以与Cu、Pb、Cd等金属阳离子离子竞争而结合,而使得这些重金属在根际外面沉淀下来,降低了[%其在土壤中的可迁移性和生物有效性。此外,植物分泌物还可以改变根际环境如pH值及氧化还原电位等也可以使土壤中某些重金属的化学形态发生改变,也会使重金属的毒性及生物有效性发生改变。印度养菜的根际环境的变化使生物6+3+有效性、毒性高的Cr还原为生物有效性、毒性低的Cr。植物固定修复虽然对重金属有一定的稳定效果但是并没有彻底地清除土壤中的重金属,,植物固定的效果难以测定。如果土壤环境发生变化重金属的生物有效性及毒性可能也会发生变化而重新造成污染。1.2.3.2微生物修复技术土壤中存在的微生物种类非常繁多,,数量极为庞大可以看做是土壤中的活性有机胶体。微生物的体积虽小但是比表面积大,生命代谢活动异常旺盛,在某4[力些重金属的土壤生物化学循环过程中起到了不可忽视的重要作用。微生物修复技术是在人为优化的微生物生长条件下,利用自然环境中原来存在的微生物或人工投加的特效微生物的生命代谢活动一,对重金属产生系列的物理化学作用,从而降低重金属在土壤中的移动性及生物的有效性的修复技术。微48[]生物修复土壤中的重金属主要有微生物富集和微生物转化等作用。1.2.3.2.1微生物对重金属的累积和吸附7 一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章土壤中微生物对重金属的生物累积和吸附作用主要的有胞内的积累、胞外的49][络合以及沉淀这三种主要的形式。其作用方式有金属硫化物、金属磷酸盐沉48[]淀细菌胞外多聚体和真菌分泌物质对重金属的去除等。微生物的细胞表面带一定的电荷有,这些电荷能够帮助细胞吸附重金属离子微生物在摄取营养元素;一的时候同时也吸收了定数量的重金属离子,这些离子最终会在微生物的细胞表面以及细胞内部累积。微生物表面具有特殊的结构,微生物的细胞壁及粘液层也可以直接吸附土壤中的重金属细菌、真菌和藻类等微生物都能够生物积累和生物吸附土壤环境中的多种重金属。有些微生够产生的细胞外的聚合物如糖蛋51[]白,可以与土壤中的重金属结合形成络合物。、多糖等含有大量的阴离子集团52][AiigustodaW宄结果显示,最大螺旋蓝细菌在吸附土壤中的镉时,锡与干细胞的最大吸附量分别为43.63nig/g和37.00nig/g。1222微生物旳..3..对重金属的转化作用微生物的代谢产物可以与土壤中的重金属发生直接的氧化还原作用,使得重53一[]金属的价态被改变,进步影响到重金属在土壤中的可移动性及生态毒性。23+3+Fe、AsAs、如某些菌类可以氧化土壤中的,而有些菌类能够还原土壤中的2+4Hg、Se。重金属在土壤环境中的价态不同,其生物有效性、毒性及稳定性也不相同。有些细菌还能够生成特殊的酶,使土壤中的重金属发生还原作用。546+2+2+Brtn[]aa等蹄选了从能够在浓度为lOmmol/L的Cr、Zn和Pb污染的土壤中些细菌具有还原作用2+,分别将硒酸盐和Pb还原成为存活的菌种,研宄发现,这胶态的Se和胶态的Pb,还原产物的结构稳定且不具有生物毒性。重金属发生氧555+t]化还原作用后可能会降低其毒性。某些微生物在厌氧条件下以AS作为电子5+3+7A[】还原成AS,。受体,将s降低了砷的毒性,并促进砷的淋溶在好氧或厌氧6+3+条件下,某些异样的微生物能够催化Cr还原为Cr,进而有效降低了重金属的毒性重金属污染的土壤中存在某些非常特殊的微生物,它们不仅仅对那些有毒的56][重金属离子存在抗性,而且还可以将重金属的形态进行转化。微生物通过甲基化和去甲基化作用转化重金属将毒性较高的重金属形态转化为毒性较低,甚至无毒的形态,。目前微生物修复技术是非常具有应用前景的生物修复技术虽然在降解土壤和修复技术研宄方面具有一些进展,但并没有得到广泛的实际修一复的应用,污染条件的优化及仍需进。微生物修复重金属旳作用原理尚未清楚步研究。菌种库的构建、微生物的驯化和高效菌株的蹄选成为今后研宄的重点内8 I华东师范大学士毕业论文第一2015年硕章容。现代先进的生物技术如遗传工程等对高效重金属修复菌株的构建和筛选具有重要意义。1.2.4农业生态修复农业生态修复通过适时调整土壤的耕作管理制度或者在受重金属污染的土一些不会进入食物链的植物壤上种植,改变土壤重金属的活性或者减少土壤中的重金属通过食物量对人体造成危害,减少重金属旳环境风险。农业生态修复按照23[]1修复方式的不同主要分为两个方面:()农业措施,即改变土壤的耕作制度,调整种植的农作物的品种,栽种某些不会进入食物链的植物,施加能够对重金属具有稳定作用的无机或有机肥料,通;(2)生态修复过调节土壤的理化性质如土壤水分、土壤H值及土壤的氧化还原状态,从而减少土壤重金属的迁移性和生p物有效性。1.2.4.1农业措施减轻重金属危害,可以改变重金属污染土壤的耕作制度,调整种植作物的种一[3类,在土壤污染严重的地区,种植些观赏性的植物、花舟和经济林木或者种植耐重金属污染强的作物如在镉污染土壤上可种植玉米、水稻等作物,这些作物58][对镉的吸收较少。植叶菜、块根类的蔬菜不适宜种植在轻度重金属污染的土59]一【壤上,然而种植瓜果类的果树或蔬菜,则可以降低农产品重金属浓度。同60[]种作物对土壤中不同的重金属的吸收累积特性也不相同。有机肥料有较大的比表面积和官能团,施用堆肥或者植物稻秆等有机肥可以增加污染土壤中有机质的含量。有机质能够与土壤中的重金属离子结合而形成有机络合物进而增加土壤胶体对重金属的吸收作用,影响重金属在土壤中的赋存形态,从而降低植物对重金属的吸收。同时,某些有机质具有还原作用,可用作还原剂,降低重金属的危害。有机肥的合理施用还能够促进植物以及土壤中某些微生物的生长一,进而对土壤重金属污染的生物修复中植物的生长起到定的促进作用。施用化肥可以增加土壤中的养分,促进植物的生长。将施肥过程与土壤重金一起属污染修复过程联系在,既可以促进植物的生长,也能够有目的地促进或抑制植物对土壤中重金属的吸收,进而达到修复土壤重金属污染旳效果。施用氮肥在促进植物生长的同时,也提高了植物对土壤重金属的吸收。6iR[]obinson研究发现,施用氮肥后,镇超富集植物的生长量提高,其体内镍的含62][。,量也提高了聂俊华等发现,少量的氮可以提高植物对土壤中铅的吸收量9 f华东师范大学2015年硕士毕业论文第一章,随着氮肥施加量的增加,植物对铅的吸收能力有所降低但植物体内铅的含量仍然增加。除此之外,,铵态氮在土壤中显酸性降低土壤的pH,提高了重金属在63[]土壤中的溶解性,促进了植物对重金属的吸收。憐肥在重金属污染的土壤的一治理中主要有两个方面的积极作用:方面,施用憐肥,磷元素能够与土壤中的重金属发生化学反应从而降低重金属的迁移性和生物有效性。(2)磷与某些重金属(如神和锌)之间存在交互作用,施加憐肥后促进植物对这些重金属的吸收。钾肥对植物的增产作用通常是要低于氮肥和磷肥,施用钾肥同样可以对土壤重金属的修复有积极的作用,这是由于钾离子及其伴随离子与土壤的重金属存在交互+一m[]K作用,,通过这作用便可强化植物吸收重金属。Tu研宄表明在土壤中会+22+一与Cd、Pb竞争通过这作用便增加了Cd、Pb的水溶态以及可交换态的含量,从而有效提高了这两种重金属在土壤中的活性,因而促进了植物对于重金属的吸?3_2一收作用。cr、SO4和no是钾肥施加入土壤而会带入些伴随离子,这些伴随离子会能够和重金属离子相结合,改变了重金属在土壤中的活性,影响植物对土壤重金属的吸收情况一。除单施加氮、磷、钾外,有人研宄了三种肥料复合修复65[]土壤重金属污染,效果较为理想。1.2.4.2生态修复重金属在土壤中的活性受土壤的理化性质如土壤水分、土壤pH值及土壤的氧化还原状况等影响,合理地控制土壤的理化性质可以降低土壤重金属的危害66[]H。土壤p通过影响土壤中的矿物溶解的溶解程度,促进解吸或抑制等作用提。土高或降低重金属在土壤中的有效性,促进或抑制植物对重金属的吸收壤pH。过低,,,会破坏土壤原有的矿物结果加重土壤的养分流失对水环境造成污染土壤氧化还原电位是通过改变重金属的价态或改变吸附重金属的物质的性质这6[3两个方面来改变重金属在土壤中的赋存形态及活性。,土壤的水分的含量影响土壤的氧化还原状况,进而影响重金属在土壤中的赋存形态。在湿润条件下的土壤的氧化作用较强,种植水稻,镉在水稻根中的含71]量比在淹水条件下根中的高2倍,比莲叶中高5倍6,,比糖米中高倍原因是当土壤处在湿润条件下的时候,氧化作用较强,当土壤处在淹水条件下的时候,还原作用较强2?。当土壤处于还原状态时,土壤的Eh值下降,土壤中的S04还原2?土壤中的3+4+2+2+为S,Fe和Mn还原为Fe和Mn,在这样的条件下,容易发生化学反应而生成FeS和MnS与CdS生成共沉淀,降低了镉的生物有效性。相反,_2?2,SS0,H在氧化条件下发生氧化反应生成了4导致土壤的p下降,镉在酸性10 一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章条件下的溶解性会升高也同时提高了镉的生物有效性。旱地和水田的氧化还原一些污染较轻的土壤中可以将旱地改为水田状况不同,种植水稻,可降低重,在68[]金属危害的风险。有些特殊性质的重金属在还原条件下危害更大,例如砷在69[]还原条件下生成亚砷酸盐,可以增加碑的溶解量,萊在还原条件下与甲烧生一类重金属污染的土壤时应该使土壤处于成甲基萊,使萊的毒性增加,在修复这79[]氧化环境下。,由于会与常规的农业耕作结合进行农业生态修复治理土壤重金属污染,费,用低,操作较方便。植物的生长周期长吸附作用有限使得农业生态修复技术在。修复土壤重金属污染时所需要的周期较长,效果也并不太显著农业生态修复可与生物修复、化学稳定修复等结合,修复效果更佳显著。1.3本文的研宄目标、研究内容及技术路线1.3.1研宄目标以镉污染土壤为研究对象,通过实验室模拟淋洗实验和稳定化实验,确定最佳淋洗剂及淋洗剂的浓度、淋洗剂pH、淋洗时间、次数和最佳稳定剂及其添加比例。为重金属污染的实际修复提供参考。1.3.2研究内容本研宄以铺污染土壤为修复对象,根据国家相关标准,利用现代伩器分析方法进行以下方面的研究:(1)镉污染土壤最佳淋洗剂和淋洗条件的蹄选根据国内外研究发现,淋洗剂的研究大多集中于人工合成的螯合剂、天然低分子有机酸和生物表面活性剂等。这些淋洗剂具有淋洗效果好、对土壤的破坏性小等优点,。其中天然低分子有机酸和生物表面活性剂还具有可生物降解的优点成为现在研究的热点内容。本研宄选取了EDTA、梓檬酸、酒石酸、草酸、盐酸和去离子水作为淋洗剂进行淋洗修复实验。选取修复效果较好的几种淋洗剂进行最佳淋洗条件的研宄。淋洗剂的淋洗效果在不同的淋洗剂浓度、淋洗剂pH、淋洗时间、淋洗次数等条件下呈现一定的差异。实验通过设置淋洗剂不同的浓度梯度、pH梯度、时间梯度和次数来确定淋洗的最佳条件。确定以上的实验条件也可为实际的淋洗修11 一华东师范大学2015年硕士毕业论文第章复提供参考。(2)镉污染土壤稳定化处理实验研宄实验选取了石灰、憐酸二氢钾、膨润土和粉煤灰4种稳定剂对镉污染土壤进行稳定化修复。,。每种稳定剂设定了不同的添加量稳定化处理时间后通过浸出一实验来确定修复效果较好的稳定剂及其添加比例。单稳定剂修复实验后又设计了复合修复,目的是降低稳定化修复后土壤pH值的变化。12 :5?!硕士毕业论文一华东师范大学2015年第章1.3.3技术路线配制实验用土1ii淋洗修复实验稳定化实验ii单一稳定剂实__蹿选:验V1石叛、灘灰、_娜、露酸、mm”谬璇.m.教离子:氲锌本酸、膨镧土xf淋洗条件的优最佳稳定剂及I化添加最4f复合稳定剂实淋洗实验结论验II‘r修复实验结论,鎗论4图1.1论文技术路线Fl1Dthig.esignoferesearch13 华东师范大学2015年硕士毕业论文第二章第二章供试土壤的准备2.1供试土壤的配制土壤中的镉在较低的浓度时就会对人体产生潜在的威胁,所以在《土壤环境》-质量标准(GB156181995)中的三级标准(保障农林业生产以及植物正常生长的土壤临界值)中规定镉的浓度为Img/kg。考虑到以后的工业生产可能产生更为严重的污染,届时需修复的土壤中镉的含量更高,因此人工配制浓度比较高的镉污染土壤。土样取自华东师大岗行校区的绿地用土,人工添加氯化镉溶液。具一CdaH),体方法为:添加定量的氯化镉(22.520于土样中养护两周后,风干后过100目筛,进行后续的淋洗实验以及稳定化实验。2.2实验材料及方法2.2.1实验准备淋洗实验所用的药品及试剂见表2,1表2.1实验试剂及药品Tab2.1Reaentsanddrusinthislaboratorggy药品及试剂M生产厂家盐酸AR上海试剂四厂昆山分厂摘酸AR上海试剂四厂昆山分厂氢氟酸AR国药集团化学试剂有限公司高氯酸AR国药集团化学试剂有限公司氯化镉AR上海金山亭新化工试剂厂氯化镤AR国药集团化学试剂有限公司乙酸AR国药集团化学试剂有限公司乙酸钠AR上海试剂一厂盐酸轻胺AR中国华东师范大学化工厂双氧水AR江苏强盛功能化学有限公司乙酸按国药集团化学试剂有限公司^14 华东师范大学2015年硕士毕业论文第二章2.2.2土壤pH的测定72][《土377-2007按照壤pH的测定》(NWT1),取10.0±0.1g试样,置于50ml烧杯中,加入25nil水。密封容器后,在震荡机上面剧烈振荡5min,然后?3hH静置1以后测混合液的p。2.2.3土壤中镉的全量测定73[]-根据《土壤环境质量标准》文件中的盐酸-硝酸-氢氟酸高氯酸的消解方法,对人工配制土壤样品进行消解,最后使土样中的镉全部进入试液中,然后使用电感稱合等离子体ICP)(测定液体中的榻的含量。土样消解的具体操作步骤为 ̄:(1)准确地称取0.10.5g(精确至0.0001)g5m,2土样置于2丨的聚四氟乙煤材料的堆祸中加入少量去离子水将土润湿();I向堪祸中加入10m:l盐酸,将t锅置于通风橱中,放置在在电热板上进行低温加热,溶解2小时。(3)向琳祸中加入15m,直至l硝酸继续加热琳祸中的溶解物剰余约为5ml。(4)向樹埚中加入5ml氢氟酸,意在分解二氧化硅及胶态桂酸盐。(5)向谢祸中加入5ml高氯酸加热蒸发溶解物至近干,再向琳祸中加入1ml的(1+5)HN03,加热溶解残渔。(6)最后取下热的琳祸冷却,最后将其全量转移到100ml的容量瓶中进行定容。2.2.4土壤中镉的形态分析74[]试验采用Tessier五步提取法来分析土样中锅的各形态的含量,步骤如下:(1)可交换态镉准确称取3g供试的土壤样品各3份,放置于50ml的塑料材料的离心管中,l/L的氯化镁溶液pH为7.0的8mL加入1mo,在室温条件下振荡1h,用离心机速度为5000r/inin的速度离心15min,离心结束后取上清液过滤后,测溶液中的可交换态镉的含量。(2)碳酸盐结合态镉取步骤(1)中离心后的残渣,加入pH为5.0的Imol/L的乙酸钠溶液8mL(用乙酸调节pH),于室温下振荡8h,经5000r/mn离心5mn,取上清液过滤i1i,测碳酸盐结合态重金镉后。(3)铁猛氧化物结合态镉15 华东师范大学2015年硕士毕业论文第二章204mo.取步骤()中离心后的残渣,加入V(.0l/L盐酸轻铵(NHOHHCI):z°20=V(%乙酸)1:5的混合液20ml,于(96士3)C条件下水浴6h,间歇搅拌,经过速度为5000r/rnin离心15min,量取上清液过滤后,测出的镉含量即为铁猛氧化物结合态镉含量。(4)有机结合态镉一取上步(步骤3)中离心后的残渣土样,加入硝酸3mL浓度为0.02mol/L和双氧水5niL体积分数为30%,使用硝酸调节混合液的pH值至2.0,在水浴中°加热2h,水温(85±2)CmL浓度分数为%,过程中间歇搅拌,然后再加入330H°3h85±2的双氧水,用确酸调节p值至2.0,水浴加热,水温为()C,过程中2mo=要间歇撞拌5mL.l/L乙):V(2%硝酸)1:。水浴冷却后加入的V(3酸铵05的混合液,使用去离子水稀释至20mL。再于室温条件之下振荡30min,经速度为5000r/niin的速度下离心15min,离心结束之后再取上清液过滤后,此时测铁猛氧化物结合态镉含量。(5)残澄态镉取上一步(步骤4)实验中离心之后的残渔样品,4在经过全量的消解法消解过后将其全量都转移至50rnL的容量瓶之中,待该液体在冷却之后再使用去离子水定容至容量瓶的标线混合均匀,再经过过滤之后测量残渣态的镉的含量。残澄态镉的含量也可用镉的全部量的总量减去以上四种其他的形态的含量计算得出来。2.2.5数据处理与统计数据采用MicrosoftExcel(2010)和Origin进行数据处理和图表的绘制。2.3实验结果及分析试样中镉的全量分析结果为51.48mg/kg,超出了《展览会用地土壤环境质--22m量评价标准》中的B类标准值g/kg。实际上,标准中的B级标准是作为土壤修复的行动值,即为当某个场地的土壤污染物的检测值超过标准中的B级标[71]准所限定的值时,那么该场地则必须要实施土壤修复工程。一镉在土壤中并不是只有种形态存在而是以多种的形态存在的,镉的不同的存在形态具有不同的生物毒性。美国学者Tessier在1979年提出了5步萃取法,16 华东师范大学2015年硕士毕业论文第二章他将镉在土壤中的存在形态按照镉的活性大小)(生物毒性划分为可交换态等五种形态。可交换态的镉的生物毒性最大,因为这种形态主要通过外层络合作用以75[]及扩散作用吸附在土壤的表面,因此导致了它的溶解度和迁移度最强,也使得它最容易被生物所吸收。镉的碳酸盐结合态多数是以沉淀的形式存在于被污染的土壤之中的,该形态容易受到土壤的酸碱性的影响,它在土壤中同样比较易于76[]迁移,导致了易被被植物吸收,最终会通过食物链而进入到人体,以此对人一些伤害体产生。镉在以铁猛氧化物结合态存在的时候,性质稳定通常以较强的结合力与土壤中的存在的铁猛氧化物相结合。镉的有机结合态主要是通过配合作4[]用与土壤中的有机物相结合,只有在强氧化条件之下才会被破坏并且释放出来。,因此对生态系统的危害最小。以上5种重金属的存在形态残渣态的镉最为稳定,4一一前种形态的重金属由于存在定的生物有效性从而会有定的潜在风险,所以^7^[这4种形态的又被称为有效态重金属。采用Tessier五步提取法得到5种形态镉含量见表,其中有效态的含量为45.32nig/kg。表2.2人工配制污染土壤中镉的形态分析Tab2.2TheconcentrationoffiveformsofCdinthesoil形态镉(mg/kg)可交换态8.861732碳酸盐结合态.1662铁猛氧化物结合态.有机结合态2.51残渔态6.175^图2.1是该土样中镉的5种形态占镉总量的相对比例。由图可知,可交换态镉为17.22%、碳酸盐结合态镉占33.64%、铁猛氧化物结合态镉占32.29%、有机结合态镉占4.88%和残渣态镉占11.97%。其中有效态的镉占88.03%。17 华东师范大学2015年硕上毕业论文第二章—I‘=(==mzzm三ll^合^^/#,/I图2.1土壤中镉的5种形态构成Fig2.1TheconcentrationoffiveformsofCdinthesoil由图可知,镉在土壤中的存在形态以可交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化物结合态和残渣态为主,有机结合态相对较少,说明镉不易与有机质结合。2.4本章小结人工配制实验用土,经消解后的全量分析得知,镉的全量为51.48mg/kg。其----中可交换态镉17.22%、碳酸盐结合态榻33、.64%铁猛氧化物结合态镉32.29%、-4-具有较高的环有机结合态镉.88%和残渔态镉11.97%。有效态的镉88.03%,境风险。18 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章第三章淋洗法修复镉污染土壤3.1引言土壤淋洗是指将淋洗剂加入到被污染土壤中,利用其对土壤中重金属的溶解或迁移作用,将重金属与土壤分离,从固相进入到液相,使土壤重金属含量降低一的种方法。淋洗液是指那些可以把污染物从污染土壤中分离出来的物质的总称,78[]水、化学溶剂甚至气体都能作为淋洗剂。、常见的淋洗剂主要是三种:无机淋洗剂螯合剂和表面活性剂等。无机淋洗剂又通常包括无机的酸、碱、盐类等物质。它们的作用机制及原理主要是破坏土壤中吸附了重金属的官能团,这些作用过程包括了酸的溶解作用、阳离子之间发,;,生的交换作用等这样的过程产生的结果是土壤中的重金属会被解吸,溶解在土一79[]壤的溶液中通过定的装置转移地表进行集中的处理。Makino等进行了振荡实验对淋洗进行模拟,蹄选出的无机兹溶液效果较好,三种金属的盐溶液对污染8<^4[]1%44%和24。T的水稻的土壤中的镉的去除率分别为4.,8..66%ampouris等利用土柱实验,研宄的是HCl和CaCk的组合对土壤中重金属Pb、Zn、Cd的去&94%、78%处效果,其去除率分别是和70%,以此证明,该组合具有非常好的处理效果。螯合剂进入到土壤之后,与重金属进行结合,结合之后就可以改变重金属在土壤中的存在状态,如使重金属由不溶状态转化为可溶的状态,由吸附状态变为解吸的状态。这样可以通过特殊的装置将其从土壤中提取出来,也能够在14一[]植物修复的同时促进了植物对于重金属的吸收能力。螯合剂般分为人工螯合剂和天然螯合剂。人工合成的螯合剂在修复中常用的有EDTA、EDDS和NTA8〗[]等等通过室内实验模拟淋洗过程试验,实验研宄了EDTA的在不同的。可欣条件之下(浓度、pH、淋洗时间)对于重金属的去除效果,该实验得出的结论是EDTA最佳的实验条件为O.lmol/L、pH为7、淋洗时间1天,在该条件之下对Cd、Pb和Cu的修复率为14%、78%和96%。天然螯合剂多指自然界中存在的低分子有机酸包括酒石酸、梓樣酸、丙二酸、82[】苹果酸和草酸等,。梁金利等通过了室内模拟淋洗修复的实验处理的是电疲1厂周围的污染土壤,实验得出草酸的去除效果较好,mol/L的草酸在最佳的条19 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章件之下对四种金属的去除率Cu为99.6%、Zn为66.98%、Ni为88.7%和Cr为一18.23%。表面活性剂的分子结构具有两亲性:端为亲水基团,常为极性的基团,种类繁多。陈锋探讨了3种常用表面活性剂对铬、镉污染土壤进行了淋洗,SDBSSDS-十二烷基苯磺酸钠)、十二焼基硫酸钠()、聚山梨脂(Tween80对重()金属污染了的土壤的修复洗脱作用,以及被污染土壤对3种表面活性剂的吸附,作用。结果表明,3种表面活性剂对土壤中的铬、镉都有较为明显去除效果其Tw-80中聚山梨脂een对污染土壤中铬、镉的去除率分别为61.2%和37.06%。()本实验针对镉污染土壤,从6种常见的淋洗剂中蹄选出淋洗效果较好旳淋洗剂,并确定最佳的淋洗条件,为今后的现场修复提供参考。3.2材料与方法本实验所用的试剂与药品见表3..1表3.1实验试剂及药品Tab3.1Reagentsanddrugsinthislaboratory试剂名称生产厂家^乙二胺四乙酸二钠AR江苏永华精细化学品有限公司疗檬酸AR国药集团化学试剂有限公司酒石酸AR国药集团化学试剂有限公司草酸AR国药集团化学试剂有限公司盐酸AR上海试剂四厂昆山分厂氢氧化钠AR国药集团化学试剂有限公司上海试剂四厂昆山分厂^^3.2.1淋洗剂的筛选选用EDTA、梓檬酸、酒石酸、草酸、盐酸和去离子水6种淋洗剂对土壤进行修复。其中,EDTA属于人工螯合剂,梓檬酸、酒石酸和草酸属于有机酸,盐酸属于无机酸。分别配制0.1mol/L的乙二胺四乙酸二钠(EDTA)溶液、0.1moI/L的梓檬酸溶液、0.1mol/L的酒石酸溶液、0.1mol/L草酸溶液、0.1mol/L的盐酸。在相同的实验条件下对镉污染土壤进行振荡淋洗,比较上述淋洗剂的实验效果。20 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章0m实验操作步骤:准确称取2.0000土样于10丨锥形瓶中g,按照土液比V=m土:液1:20的比例各加入40ml上述淋洗剂,每组设置3个平行实验。在[()()]室温下调节到200r/tnin的速度振荡淋洗4h,然后再在离心机中以5000r/min的转速离心淋洗后的混合液15niin上清液,用电感稱合等离子体(ICP)来测,抽取定其中镉的含量。比较各种淋洗剂的处理效果,选出其中处理效果较好的淋洗剂进行后续实验。3.2.2最佳淋洗浓度的确定31根据.2.所蹄选出效果较好的淋洗剂,将各种淋洗剂配制成不同浓度梯度溶液,EDTA为0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L五个0.0molL、0.0lL、0.1molL、0.molL、0.5moL浓度梯度。酒石酸为1/5mo//2/l/五个浓度梯度。盐酸为0.05mol/L、0.1mol/L>0.5mol/L、1mol/L、2mol/L五个浓度梯度。实验步骤与3.2.1相同3.2.3最佳淋洗pH的确定根据3.2.1和3.2.2所确定的淋洗剂及其最佳淋洗浓度,设置成不同的pH梯。5度,确定各淋洗剂最佳的pHEDTA的pH为4、、6、7。酒石酸的pH为3、4、5、6、7。盐酸的H为3、4、5、6。p实验步骤与3.2.1相同。3.2.4最佳淋洗时间的确定根据H值设置一系3.2.1、3.2.2和3.2.3所确定的淋洗剂、淋洗浓度和淋洗p124列时间梯度来确定最佳的淋洗时间。设置的时间点分别为、、、6、8、10、12七个点。实验步骤为:准确称取2.0000g土样于lOOml锥形瓶中,按照土液比MV=土:液)]1:20的比例各加入40m上述淋洗剂,每组设置3个平行实验。在[()(}室温下以200r/min振荡淋洗,在各个时间点进行取样,然后在离心机中以5000r/min的转速离心15min,抽取上清液保存待测。等所有时间点样品取完后,用电感耦合等离子体(ICP)测定其中镉的含量。21 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章3.2.5最佳土液比的确定根据3.2.1、3.2.2、3.2.3、3.2.4所确定的最佳淋洗剂、淋洗浓度、淋洗Hp和淋洗时间,进行最佳土液比的实验。分别设定3个土液比,土壤样品与淋洗液、1120(的比例分别为1:5、110:15、::30土壤是质量单位,淋洗液位体积:和1单位),每组设置3个平行实验。3.2.6最佳淋洗次数的确定根据3.2.1、3.2.2、3.2.3、3.2.4和3.2.5所确定的最佳淋洗剂、淋洗浓度、淋洗pH、淋洗时间和土液比,,进行最佳淋洗次数的实验。以上条件不变设置不。同的淋洗次数,比较每次淋洗对镉的去除率,确定最佳的淋洗次数2000OOm,实验步骤为:准确称取.0g土样于l丨锥形瓶中按照土液比=204V土:V液1:的比例各加入0ml上述淋洗剂,每组设置3个平行实验。在[()()]室温条件之下以200r/min的速度振荡淋洗4h,然后以5000r/min离心机中的转速离心15m,in抽取离心后的上清液,保存待测。去除剩余的上清液。继续按照土=液比V土:V液)]1:20的比例各加入40ml淋洗剂,重复以上的实验4次()(,每次[实验结束后的上清液都保存待测。3.3结果计算与分析镉的去除量及去除率的计算公式如下:镉的去除量=镉的测定浓度X淋洗液体积镉的去除率=镉的去除量/镉的总量数据处理及图表绘制采用的是MicrosoftExcel(2010)和Origin。3.4结果与分析3.4.1不同淋洗剂的淋洗效果表3.2显示的是不同淋洗剂对土壤中镉的去除量,.molL的,由表可知Ol/EDTA和0.1mol/L的酒石酸和0.1mol/L的盐酸对镉的去除率较高。其中,镉的去除率大小依次是盐酸>£0了八>酒石酸。去除量分别是35.34mg/kg、34.03mg/kg、22 华东师范人学2015年硕.1:毕业论文第三章33.68mg/kgoO.lmol/L梓檬酸、O.】mol/L草酸以及去离子水对土壤中铜的去除量相对偏低,分别是586m/k、4./k和1.12m/k。.gg04mgggg表3.2不同淋洗剂对土壤中镉的去除量Tab3.2TheextractionabilitofCdaboutdiferentwashinreaentsygg淋洗剂榻的去除量(mg/kg)0.1mol/LEDTA34.030.1tio/L586il梓檬酸.O.lmol/L酒石酸33.68O.lmol/L酸4.04草O.lmol/L盐酸35.34去离子水U231,图.中显示的是6种淋洗剂对土壤中镉的去除率的比较从图中可以看出,O.lmol/LEDTA、O.lmol/L酒石酸和O.lmol/L盐酸对镉的去除率分别为66.11%、65.,60%。Ol、OlL.43和6865%去除率比较接近且都超过了.mol/L梓檬酸.lmo/草酸以及去离子水对土壤中镉的去除率分别为11.38%、7.85%和2.18%去除率,偏低,无。从实验结果可以看出法从人工螯合剂还是有机酸剂无机酸的分类角度来蹄选淋洗剂。70■6。■圓】fi30I■I■It[1?2。画_II必##冷丨图3.1各种淋洗剂对土壤中搞的去除率Fig3.1TheextractionrateofCdaboutdiferentwashingreagents不同种类的淋洗剂对土壤中镉的淋洗效果不同,与淋洗剂自身的性质以及其与重金属反应的机制不同等因素有关。EDTA能与大部分金属形成稳定螯合物从23 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章而将土壤中的重金属解吸,从而去除土壤中的重金属,EDTA与重金属的螯合的摩尔比为1,它:1。梓檬酸、酒石酸和草酸是天然低分子有机酸们在淋洗过程中能够促进镉离子与土壤的解吸作用,三种淋洗剂能够镉离子形成可溶性的络合物,14]1以增强镉离子的移动性和活性。由于它们都是天然的有机酸,因此它们都容二易被环境中的微生物讲解,不会对环境造成次污染。有机酸对土壤重金属的解吸包括两个方面:酸溶作用和螯合作用。由于酒石酸含有多个配位体,因此,它84一[]的螯合作用般强于酸溶作用。有机酸对重金属的去除效果与有机酸的浓度、类型以及与重金属离子配位能力有关。有机酸与重金属形成的配合物越稳定越难85][。被土壤吸附,重金属的去除效果则越好重金属有效态的含量越大,去除效37][一果也越好。本实验结果说明酒石酸对镉有较好的去除率,结论与陈英旭等网致。盐酸去除土壤重金属的主要机理是酸溶作用、离子交换和cr的络合作用。去离子水可去除土壤中水溶态的重金属离子,,而镉在土壤中几乎不以水溶态存在因此去离子水对镉的去除率较低。3.4.2淋洗浓度对淋洗效果的影响不同浓度梯度的EDTA、酒石酸.、盐酸对土壤中镉的淋洗效果见表33表3.3不同淋洗浓度对土壤中镉的去除量Tab3.3RemovalofCdbyvariousconcentrationsofreagents淋洗剂浓度(mol/L)去除量(mg/kg)012922.0.0.0531.84EDTA0.134.480.233.2233J^^0123.44.00.053560.酒石酸0.135.160.233.7630.96^0^40.8624 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章0.136.34盐酸0.535.40134.24230.96图3.2是不同浓度的EDTA对土壤中镉的去除率。由图可知,镉的去除率随着EDTA浓度的增加,呈现出先增加然后降低的趋势。在较低的浓度范围内,随着EDTA浓度的增加,镉的去除率增加,在较高的浓度范围内,锡的去除率随着EDTA浓度的增加而降低。当EDTA浓度为O.lmol/L时,镉的去除率达到最大,663448mEDTA为.98%,对应的镉的去除量为./k。当的浓度较低时gg,镉的解吸量随着EDTA浓度的增加而增大,此时,土壤中的EDTA主要与镉进行整合反应。当EDTA浓度达到O.lmol/L时,土壤中镉的解吸量达到最大值。此后,土壤中镉的解吸量随EDTA浓度的增加而降低,原因可能是EDTA对不同的重金属的提取特征不同Ca、Cu、Ni等金属随着EDTA用量的增加,其解吸量4[】先增大后减小。Fe、AKMn等金属随着EDTA用量的增加,其解吸量也增大43[]0一-■去I/./■絲-■■■■———■‘‘IkIITIOuO0.10^0-3旅度挪叫图3.2不同浓度的EDTA对土壤中镉的影响F.2ThenfluenceuusoncenanEDTAig3iabotvarioctrtioof图3.3是。由图可知不同浓度的酒石酸对污染土壤中镉的去除率,镉的去除率随着酒石酸浓度的增加,同样呈现出先增加然后降低的趋势。在较低的浓度范25 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章,,围内,随着酒石酸浓度的增加,镉的去除率增加在较高的浓度范围内镉的去除率随着酒石酸浓度的增加而降低。当酒石酸浓度为0.05mol/L时,镉的去除率1560mL达到最大,为69.%,对应镉的去除量为36.g/。"--?宠IjsTi!to-.75-?0-■广i./£?-!45-■401‘‘‘111110^0,10-S0<3040.S01足浓至_>图3.3不同浓度的酒石酸对土壤中镉的去除率F.nuencvaouoncenonTracig33Theifleaboutrisctratiofataricid一,实验研究结果表明,在定的浓度范围内随着酒石酸浓度的增加,土壤中镉的去除率增加,但超出该最适浓度后,酒石酸浓度增加,土壤中的镉的去除率反而略有降低。图3.4是不同浓度的盐酸对土壤中搞的去除率。由图可知,镉的去除率随着盐酸浓度的增加,呈现降低的趋势。当盐酸浓度为0.05inol/L时,镉的去除率达到最大,为79.47%,对应的镉的去除量为40.86mg/kg。-'-妾费班IISO-U-7SI.65-60-‘11111^10.00.51.01.S£.?DIJL浓度P)26 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章34图.不同浓度的盐酸对土壤中镉的去除率Fi.4TheinfluenceaboutvariousconcentrationofHdrochricacidg3yloEDTA对镉的最佳去除浓度为O.lmol/L,酒石酸对镉的最佳去除浓度为0.0505moL。这三个mol/L.0l/,盐酸对镉的最佳去除浓度为浓度值都不是设定浓度的最高值或最低值,,在设定的浓度范围内镉的去除率随着淋洗剂浓度升高先上88[](升然后有下降的趋势。Giannis等利用NTA次氮基三乙酸)作为淋洗剂处理镉、—-2—23i铅和铜污染的土壤,设置的浓度梯度为0mol/L、5x10mol/L、10mol/L、5x1(T1,研究结果表明mol/L,对镉的去除率从高到低依次是--'"VV'^105x10lO>5xlOmol/L,对铅的去除率从高到低依次是2〗235xi(r>i(r>i(r>5xi(rmo丨/L,对铜的去除率从高到低依次是-_'>223105X1(T>10>5X1(TmoI/L。可见,对于不同的重金属而言,淋洗剂浓度越高,淋洗效果并非越好。3.4.3淋洗pH对淋洗效果的影响H一个非常重要的影响因素p值是各种化学反应的。淋洗剂在不同pH值条件89][下土壤对于镉的吸附能力不同。该实验的目的是通过设置不同的pH值梯度,确定各淋洗剂的最佳pH值,为淋洗修复的实际应用提供参考。实验使用稀硝酸和氢氧化钠溶液调节淋洗剂的pH值。不同pH值的淋洗剂的淋洗效果见表3.4。34H表.淋洗剂在不同p值条件下的琳洗效果Tabs.4RemovalofCdbyvariouspHofreagents淋洗剂PH值镉去除量(mg/kg)336.47435.39EDTA534.2263243.13^_331.65425.48酒石酸5^27 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章.610.4673M33.61盐酸42.7052.566\1J_图3.5是三种淋洗剂在不同pH值条件下对镉的去除率,由图可知,EDTA、酒石酸和盐酸的曲线都呈现出随着pH值的降低去除率也在降低,EDTA在pH值为3时,锡的去除率最高为70.84%。酒石酸和盐酸在设定的pH值条件下均未超过未调节pH值时对镉的去除率。O.lmol/L的EDTA的pH为4.51,0.05mol/L的酒石酸pH为2.50,0.05rnol/L的盐酸pH为1.30。均比设定的pH值低。由此可见,三种淋洗剂对镉的去除率与淋洗剂的pH值呈现负相关。三种淋洗剂通过降低土壤的pH,,降低土壤对重金属的吸附性同时也增强了自身的螯合作用。因此,在淋洗修复实际应用时,EDTA的pH值应调为3,酒石酸和盐酸不需要调节pH值。60-50--承40-EDTAI.X+酒石酸-N布30.酸20-0-1—^*▼0_|,11V11,1134567Hp图3.5pH对镉的去除率的影响Fig3.5TheinfluenceaboutvariouspH28 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章3.4.4淋洗时间对淋洗效果的影响在不同淋洗时间下,淋洗剂对重金属的去处效果也不尽相同。此外,在实际修复中淋洗时间与修复的成本也存在一定的关系,工艺中用时越多,工业所需成本便越高。实验通过设定不同的时间梯度,可以确定最佳的淋洗时间,以便为实。际修复工程提供参考,同时也提供淋洗剂的利用效率淋洗时间实验的结果见表3.5表3.5不同淋洗时间重金属的去除量Tab3.5RemovalofCreasdunderdiffentwhingtime淋洗剂淋洗时间(h)去除量(mg/kg)128.9223054.434.28EDTA635.40836.571036.60123^32701.233.02435.13酒石酸637.03837.341037.401237.^138.22239.3844100.盐酸641.14841.171041.221241.3429 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章O.lmoL的EDTA对镉的去除率曲线表现为随着时间的增加先逐渐增加,然l/后趋于平缓,最后稍微下降。淋洗时间为8h时,即为理想的反应时间,此时镉3657m7104%。的去除量为.g/kg,去除率为.^-80^—AA4了/-^EDTA+酒石酸60->/1+盐酸55-“1<‘111111111024681012时闻h()图3.6不同时间条件下镜的去除率的影响Fi3.6Theefecofwashintimegtg0.05mol/L的酒石酸对镉的去除率曲线同样表现为随着时间的增加先逐渐增加,,然后趋于平缓,最后稍微下降。淋洗时间为6h时为合理的反应时间,此时镉的去除量为37.03nig/kg,去除率为71.87%。0L的盐.05mol/酸对镉的去除率曲线表现为随着时间的增加先逐渐增加,最4h,后趋于平缓。淋洗时间为时,即为合理的反应时间此时镉的去除量为41.00mg/kg,去除率为79.64%。3.4.5土液比对淋洗效果的影响一在土壤重金属的淋洗修复过程中,淋洗剂的添加量即土液比是个重要的试验参数,。如果土液比太小,将会到这土壤中的重金属不能够完全提取出来而且,对测定的干扰较大,如果土液比太大将会降低土壤中的重金属离子的浓度,这样就会增加了淋洗废水的处理体积及处理难度,同时也会增加淋洗剂的成本。表3.6不同土液比对攝污染土壤的去除量Tab36RemovalofCdbdiferentofratioofsoiltosolution.y30 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章淋洗剂m土):V液去除量(()1:529.62351:10.18EDTA1:1535.761:20361.43^159:26.61:1031.19酒石酸1:1536.831:2037.2837^15:30,541:1039.8711.2盐酸:540912084:40.41.23^不同的土液比对攝的去除率如图3.7,由图可知,随着淋洗剂体积的增加,土壤中镉的去除率也随之增加一,当淋洗剂体积达到定值时,镉的去除率趋于平m::稳。由图可知,EDTA的最适土液比[土V液为110,此时镉旳去除率为()()]14%68.34%。酒石酸的的最适土液比[m(土):V液)]为1:15,此时镉的去除率为7.5。(盐酸的最适土液比[m(土):V(液)]为1:10,此时镉的去除率为77.45%。文中提到的最适液土比综合考虑了镉的去除率以及淋洗剂的用量。31 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章80-▲A-—75-/?-60/1/—一EDTA‘/+酒石酸55-盆酸-50I11‘■“111111::51101:151:201.30土液比图3.7土液比对镉的去除率的影响Fig3.7Theeffectofratioofsoiltosolution3.4.6淋洗次数对淋洗效果的影响淋洗次数对重金属的去除率有非常重要的影响,同时它是淋洗修复在实际应一用中需考虑的的个重要的工艺参数。通过设定不同的淋洗次数,确定最佳的淋洗次数,可以提高工程的修复效率。淋洗次数实验结果见表3.7,根据上述实验后所确定的最佳条件进行淋洗次数实验,淋洗剂的浓度和淋洗时间分别为Ol8L:.mol/LEDTA淋洗小时,0.05mol/的酒石酸淋洗6小时,0.05mol/L的盐酸淋洗4小时。每种淋洗剂的最大淋洗次一数为4次。由表可知,镉的去除量主要在第次和第二次淋洗过程中。淋洗两次后EDTA、酒石酸和盐酸对镉的去除量分别为36.43mg/kg、37.16mg/kg和一40.82mg/k,其中第次淋洗对镉的去除率远大于其他三次淋洗。在后三次的淋g洗过程中,EDTA对锡的去除量为7.25mg/k,酒石酸对镉的去除量为4.52m/k,ggg盐酸对镉的去除量为3.02。可见EDTA在后三次的淋洗中对镉的去除量最多,而盐酸对镉的去除量最小。因此,在四次淋洗结束之后,对镉污染土壤的淋洗效果盐酸〉£0丁人>酒石酸。表3.7淋洗次数对镉的去除率的影响Tab3.7RemovCrrenwashealofdundedifetingtims32 2015?华东师范人学年硕1.毕业论文第三章镉的太-(淋洗剂淋洗次数除量mg/kg)316.43EDTA24.6531.374U3137.16酒石酸22.5431.2940.69140.82盐酸21.4830.914^由图3.8来看,EDTA的四次淋洗对镉的去除率分别为70.77%、9.03%、2.66%和2.39,酒石酸四次淋洗对镉的去除率分别为72.18%、4.93%、2.51%和1.34,929%287%一、177%23%,盐酸四次淋洗对镉的去除率分别为7.、..和1.第次淋洗后对镉去除率最高的为盐酸,第二次淋洗对镉的去除率最高的为EDTA。、一盐酸:胡、r:!"酒石酸:圓::靈B第三次?■第四次EDTAr.I一一‘:1020406080100镉去除率(%)图3.8不同淋洗次数对镉的去除率Fig3.8Theefectofwahingtimes33 华东师范大学2015年硕士毕业论文第三章3.5本章小结(1)用O.lmol/L的EDTA、梓檬酸、酒石酸、草酸、盐酸、去离子水六种淋洗剂对人工配制的镉污染土壤进行淋洗修复。实验结果表明六种淋洗剂的淋洗>EDTA>>>>去。效率由大到小依次为盐酸酒石酸梓檬酸草酸离子水其中盐酸对镉的去除率为68.65%,EDTA对镉的去除率为66.11%,酒石酸对镉的去除率为65.43。(2)通过设定不同淋洗剂浓度梯度确定最佳的淋洗浓度。本实验结果表明,OL的EDTA对镉污染土壤的。.lmol/淋洗效果最好,镉的去除率为66.98%0.05mol/L的酒石酸对镉污染土壤的淋洗效果最好,镉的去除率为69.15%。0.05mol/L的盐酸对镉污染土壤的淋洗效果最好,镉的去除率为79.37%。(3)通过设定不同淋洗剂的pH梯度确定最佳的淋洗pH值。实验结果说明,O.lmol/L的EDTA的最佳淋洗pH值为3。0.05mol/L的酒石酸和0.05niol/L的盐酸的最佳淋洗pH均为初始值,不需要调节pH值。(4)通过设定不同的时间梯度确定最佳的淋洗时间。实验结果表明:O.lmol/L的EDTA对镉的最佳淋洗时间为8h,镉的去除量为36.57mg/kg,去除率为71.04%。0.05mol/L的酒石酸对镉的最佳淋洗时间为6h,镉的去除量为37.00ing/kg,去除率为71.87%。0.05mol/L的盐酸对镉的最佳淋洗时间为4h,镉的去除量为41.00tng/kg,去除率为79.64%。(5)通过设定不同的淋洗土液比确定最佳的土液比。实验结果表明,EDTA的最适土液比[m(土):V(液)]为1:10,此时镉旳去除率为68.34%。酒石酸的的最适土液比m土:V液为1:15,此时镉的去除率为71.54%。盐酸的最适土液比[()()][m(土):V(液)]为1:10,此时搞的去除率为77.45%。(6)通过设定不同的淋洗次数确定最佳的淋洗次数。镉的去除量主要在第一二次淋次和第洗过程中。淋洗两次后EDTA、酒石酸和盐酸对镉的去除率分别为79.80%、77.17%和82.17。34 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章第四章稳定化法处理镉污染土壤4.1引言EPA将稳定化定义为:指从污染物有效性的角度出发,通过将污染的形态进行转化,,将土壤中的污染物转化成为为不易溶解的形式或者降低污染物的迁移能力,或者将污染物转化成毒性更小的形式,由此来实现污染物在土壤中的无害化,以降低其对生态系统的危害风险的定义石灰、结秆、垃圾焚烧飞灰、无机肥料、水泥密灰、有机肥料以及溶矿炉炉91澄等都可以作为稳定剂来稳定土壤中的重金属[]。薛永杰等采用土工试验、TCLP■,P、等方法研宄发现,生石灰与粉煤灰进行混合能够有效地稳定修复bCr污染土壤中的重金属。,并符合浸出标准的要求加入稳定剂可以改变土壤的物理、化学性质,通过改变土壤的pH、氧化还原点位等,利用吸附技术、沉淀技术以及离子交换技术等改变重金属在土壤中的92[]存在状态,便能够降低重金属的生物有效性和迁移性。稳定剂可分为无机药剂和有机药剂。根据废物中所含的重金属种类,经常在实际中应用的有的稳定化药剂有粉煤灰、石膏、石灰、氢氧化钠、膨润土、硫酸亚铁、磷酸二氢钾、硫化,使用憐酸二氢妈修复复合重金属污染的土壤时钠等。王碧玲等研宄表明,土壤中的重金属的有效浓度Pb降低了99%、Cu降低了97%、Zn降低了96%、Cd降低了98%。稳定化修复实验研究了不同的类型的稳定剂及其对应的添加量对镉污染土壤的稳定化修复效果,在修复接受后,比较了修复前后土壤pH的变化情况。在此基础上,设计了复合稳定剂稳定镉污染实验,比较了其修复效果。实验结果可以为实际中的稳定化修复提供参考。4.2材料与方法4.2.1实验材料本实验所用药品和试剂见表4.135 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章表4.1实验药品及药剂TaM.lReagentsanddrugsinthislaboratory实验药品及试剂M生产厂家石灰AR国药集团化学试剂有限公司隣酸二氧钾AR国药集团化学试剂有限公司膨润土CR上海试四赫维化工有限公司粉煤灰CR中国建筑建材科学研宄院硝酸AR上海试剂一厂上海试剂四厂昆山分厂^^4.2.1.1供试土样人工配制镉污染土壤样品同2.1,土壤中的镉含量为51.48mg/kg。4.2.1.2稳定剂一二氢单稳定剂修复实验选用了石灰、膨润土和粉煤灰作为稳定剂。、憐酸钾复合稳定剂修复实验选用的稳定剂是从上述4种稳定剂中蹄选出的修复效果较好的稳定剂。4.2.2实验方法4一1.2.2.单稳定剂修复方法本实验按照选用的稳定剂的不同质量比例将稳定剂与污染土壤混合,石灰、二憐酸氢钾.5%、1%、5%、10%、15%和、膨润土和粉煤灰与土壤的比例皆为020一%六个梯度。将稳定剂与供试土样充分混勾后置于培养皿中,喷洒定量的去53离子水,置于培养箱中,在室温条件下稳定化处理天。每组实验做个平行实验。稳定化结束后,将土样风干,研磨过2mm蹄,测定实验后土壤的pH(方法-2007同2.2.1)照出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299),并按《固体废物浸出毒性浸,中的方法,即首先将质量比为1:2的浓硝酸和浓硫酸的混合液加入到去离子水中配制成为酸性的浸提剂:,配制后的溶液的pH为3.20±0.05,再按照液固比为]01(L/kg)加入向修复后土壤中浸提剂,然后在振荡速度为180r/rnin的条件下水平振荡20h,在以5000r/inin的速度在离心机中中离心15min,结束后取其上清液,用电感稱合等离子体(ICP)测定其中镉的含量。土壤pH的测定方法:按照《土壤pH的测定》,准确的称取10.0±0.1g土36 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章50nil25m。,壤样品,放置于烧杯中,向烧杯中加入l去离子水密封容器室温 ̄下,53hH。用振荡机剧烈振荡min,然后将烧杯静置l,最后测混合液p4.22.2复合稳定剂修复方法.422】H的变化情况进行组取...中修复效果较好的稳定剂,根据修复后土壤p合,目的是既能够降低土壤中镉的迁移性,又保证土壤的pH没有太大的变化。4复合修复实验设计见表.2。复合修复的实验步骤同4.2.2.1。表4.2复合修复实验设计TaMii.2Desgnofcomposterepairexperiment稳定剂1稳定剂20.5%憐酸二氢钾0.5%石灰1%磷酸二氢钾5%憐酸二氢钾10%憐酸二氢钾0.5%磷酸二氢钾1%石灰1%磷酸二氢钾5%磷酸二氢钾10%隣酸二氢钾05.%憐酸二氧钾0.5%粉煤灰1%磷酸二氢钾5%磷酸二氢钾10%憐酸二氢钾0.5%憐酸二氧钾1%粉煤灰1%憐酸二氢钾5%磷酸二氢钾10%磷酸二氧钾4.3实验数据的处理实验数据的处理以及相关图表的绘制采用的是MicrosoftExcel2010及Oriin。g---稳定化实验所依据的标准为(GB5085.32007)《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中所规定的浸出液毒性鉴别标准值,其中镉的浓度为为Im/L。g37; 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章4.4结果与分析4种稳定剂的不同添加量修复后浸出液中的镉的浓度见表4.3.表4.3浸出液中锅的浓度(单位mol/L)Tab4.3Cdlconcentrationinleachingsoution0\%\520^^^石灰1.21605550.000KHPO1.4.68312251.4080.9440.7890.6982膨润土2.3641.4351.3321.3081.3031.284粉煤灰1.3510.4120.0280004.4.1石灰对污染土壤的修复作用石灰对土壤中镉的稳定化结果见表4.3,修复后土壤的pH值见表4.4。由表。可知,随着石灰添加比例的增加,镉的浸出浓度呈现递减的趋势当石灰的添加量为1%时,浸出浓度为0.555mg/L,符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的标准。当石灰的添加比例为5%时,浸出液中完全检测不到镉离子。随着石灰添加比例的增高,,浸出液同样检测不到辐离子,但土壤的pH值也随之增大当石灰的添加比例大于等于5%时,土壤的pH超过了12。44表.石灰添加量对修复土壤pH变化影响Tab4.4TheeffectoftheamountoflimeonPhchanges石灰%15101520^HTM22212.242.27p1.1^在此碱性环境中,石灰对重金属的固定作用主要是生成了氢氧化物沉淀。实验所有的提取剂未能检测到金属离子,原因是大量加入石灰后,土壤pH升高,增加了土壤表面可变负电荷,促进了土壤胶体对重金属离子的吸附,并且降低了95[]-吸附态重金属的解吸量。此外,提取剂为酸性溶液,与土壤中过量的0H反应,提取剂变为中性,其提取能力大大降低。此时的提取剂只能讲土壤中水溶态0H-的重金属提取出来,但是因为重金属与反应生成难溶于水的沉淀。38 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章4.4.2憐酸二氧钾对污染土壤的修复作用二3H5磷酸氢钾对土壤的修复效果见表4.,修复后土壤的p见表4.由表可知,随着憐酸二氢钾添加比例的增加,浸出液中镉离子的浓度呈现下降的趋势。当磷酸二氢钾的添加量为10%时,浸出液中镉离子的浓度为0.944mg/L,符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的标准。添加量为15%和20%时,浸出液中镉的浓度也均符合标准。随着隣酸二氢钾添加量的增加,土壤的pH值缓慢降低。表4.5磷酸二氢钾添加量对修复土壤pH变化的影响Tab4.5TheefectofamountofotassiumdihdroenhoshateonPhchangespygppKHzPCy/o0.515152012H6.716.666.216.065.835.7p憐酸盐稳定修复镉的作用机理主要有三个:憐酸盐促进土壤镉吸附、镉与憐酸盐反应生成难溶的沉淀物和镉吸附在磷酸盐表面镉会与憐酸二氢钾反应°33"生成磷酸镉(Cd3(P04)2),在25C下,Ksp为2.53xl(r非常难溶,此外,H2PO4溶解后,大量的增加了土壤颗粒中的阴离子电荷的数量,从而促进了土壤胶体对镉的吸附。4.4.3膨润土对污染土壤的修复作用膨润土对土壤的修复效果见表4.3,修复后土壤的pH见表4.6。由表可知,。随着膨润土添加比例的增加,浸出液中镉离子的浓度呈现缓慢下降的趋势但当添加量为最大的20%时,浸出液中榻离子浓度为1.284ing/L,仍然大于标准中所规定的Img/L。土壤的pH随着膨润土添加量的增加而增加,最终呈现弱碱性。表4.6膨润土添加量对修复土壤pH变化的影响Tab4.6TheefectofamountofbentoniteonPhchanesg015520膨润土%.5101pH7M7M8.38^^^膨润土具有很大的比表面积,因此具有较强的吸附能力、较高的离子交换容量及离子交换能力。膨润土具有阳离子吸附特性膨润土对土壤中镉的修复并未符合国家标准,原因可能是膨润土修复重金属存在选择性。陈炳睿等比较了在相同条件下,膨润土对Pb、Cd、Cu、Zn四种复合重金属污染的的土壤的稳定效果,结果表明,膨润土仅对Cu有较好的稳定效果,对Pb、Cd、Zn的稳定化39 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章99][效果并不理想。4.4.4粉煤灰对污染土壤的修复作用粉煤灰对土壤的修复效果见表4.3,修复后土壤的pH见表4.7。由表可知,随着粉煤灰添加比例的增加,镉的浸出浓度呈现递减的趋势。当粉煤灰的添加量为1%时.12mL,符合,浸出浓度为04g/《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的标准。当粉煤灰的添加比例为10%时,浸出液中完全检测不到镉离子。随着石灰添加比例的增高,土壤的pH值也随之增大,土壤呈现强碱性。表4.7粉煤灰添加量对修复土壤H变化的影响pTab4,7TheeffectoftheamountofflyashonpHchanges粉煤灰%0.515\0\520H7910UM11.78p^^^^“粉煤灰是火力发电厂产生的废渣,利用粉煤灰修复重金属污染的土壤是以”废治废。粉煤灰可以改变土壤的物理化学性质如持水量和孔隙率等。粉煤灰修i?[]复重金属污染的土壤时,提高了土壤的H值,增强了土壤对镉的吸附作用p,从而抑制了镉的活性。2-.5,^一■—石灰▲一?—确酸二氧掷丨一一▲膨润土-20一▼一粉煤灰IA1.5-.1.11S0-.5KI-0-0\?WV11‘“11111105101520添加量%()图4.1浸出液中镉的浓度Fig4.1Cdconcentrationinleachinsolutiong40 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章4.5复合修复一一单稳定剂修复镉污染土壤结果表明,石灰、磷酸二氢钟和粉煤灰在定的添加量可以有效地稳定土壤中的镉。但是,石灰和粉煤灰在稳定修复后土壤变为碱性,而磷酸二氢钾修复后土壤变为酸性。土壤pH的变化会影响植物对土壤营养元素的吸收也会影响土壤微生物的作用,硝化作用存在于中性或碱性的102[]土壤中,但土壤显酸性时几乎不发生硝化作用。实验从使土壤pH酸碱性变化小同时又可以稳定修复土壤中镉的角度设计了复合修复实验。表4.8复合修复后浸出浓度值Tab4.8Cdconcentrationinleachingsolution浸出浓度(mg/I)0.5%KH2P041%KH2P045%KH2P0410%KH2P040.5%石灰1.6551.4170.9420.82610.5820.5360.50307%石灰.4610.56111.34709130%粉煤灰...8181%粉煤灰000.269^^^485复合修复的效果见表.,结果表明,当石灰的添加量为%时,磷酸二氢钾的添加量为0.5%和1%时,浸出液中镉的浓度分别为1.655ing/L和1.417nig/L超过标准中规定的的浸出标准值;憐酸二氧钾的添加量为5%和10%时,浸出液中镉的浓度为0.942mg/L和0.826ing/L,符合国家标准中的浸出浓度。当石灰的添加量为,0%1%时磷酸二氯钾的添加量为0.5%、1%、5%和1时浸出液的浓度均符合国家标准。除此以外,无论浸出液中镉的浓度是否符合国家标准,添加磷酸二氢钾时的稳定效果均优于只添加石灰时的稳定效果。5%5当粉煤灰的添加量为0.时,磷酸二氢钾的添加量为0.%和1%时,浸出-液中镉的浓度分别为.1ni/L.3161g和147mg/L超过标准中规定的的浸出标准值;磷酸二氢钾的添加量为5%和10%时,浸出液中镉的浓度为0.913m/L和g0.818mg/L,符合国家标准中的浸出浓度。当粉煤灰的添加量为1%时,憐酸二氢钾的添加量为0.5%、1%.5%和10%时浸出液的浓度均符合国家标准。添加磷酸二氧钾进行复合修复的效果要优于单一修复的效果。表H值一4.9是修复后土壤p,由单修复的实验可知,当石灰和粉煤灰的添加量为1%时,土壤的pH分别为8.71和8.52,土壤呈现出弱碱性,当磷酸二氢钾的添加量为5%和10%时,土壤的pH为6.21和6.06,不利于有些植物的生长。41 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章设计复合实验既能够稳定土壤中的镉,又不会使土壤的pH发生较大的变化。实一验结果表明,石灰、粉煤灰与憐酸二氢钾发生了定的中和作用,单并未影响到镉的稳定效果。从镉的稳定效果和土壤pH的角度来看,0.5%粉煤灰+5磷酸二05氢钾,.%石灰+5磷酸二氢钾为较好的修复组合。表4.9复合修复后土壤pH值TaM9Hofilrreiri.soaftepanpgpH0.5%KH2P041%KH2P045%KH2P0410%KH2P040.5%石777306786.3灰.6..31%石灰850.217.5367.86.07.8672.5.5%粉煤灰.6636.121%粉煤灰136.35^^4.6本章小结本章选取石灰、憐酸二氢钾、膨润土和粉煤灰作为稳定剂进行稳定化实验。同时每种稳定剂设定了0.5%、1%、5%、10%、15%和20%(稳定剂质量与土壤质量比)六个梯度。反应结束后,通过浸出实验比较各稳定剂的稳定效果。(1)当石灰的添加量为1%时,浸出液中镉的浓度为0.555mg/L,低于所参照的标准中浸出毒性的标准值Itng/L。此时土壤的pH值为8.37。当憐酸二氢钾0的添加量为10%时,浸出液中镉的浓度为.994nig/L,低于国家标准中规定的浸出毒性标准值,此时土壤的pH值为6.06。当膨润土的添加量为20%时,浸出液中锡的浓度为,,,1.284mg/L仍然大于国家标准中的浸出毒性标准值因此膨润土不适于镉污染土壤的稳定化修复。当粉煤灰的添加量为5%时,浸出液中镉的浓度为0.028mg/L,低于国家标准中规定的浸出毒性标准值,此时土壤的pH值960。,、二,为.综上所述石灰憐酸氢钾和粉煤灰适用于镉污染土壤的稳定化修复其中石灰和粉煤灰修复后的土壤的pH值会升高,磷酸二氢钾修复后土壤的pH值会降低。2一()复合修复的效果稍微优于单修复的效果。当药剂组合为0.5%石灰+5%憐酸二氢钾、0.5%粉煤灰+5%磷酸二氢钾时,浸出浓度分别为0.942nig/L和一0.913mg/L符合相关标准,并且优于单修复时的效果。粉煤灰和石灰的添加量为1%时,浸出浓度均符合标准。憐酸二氧钾的添加浓度为10%时,浸出浓度也符合相关标准。考虑到实际生产的成本,0.5%粉煤灰+5%磷酸二氢钾,0.5%石灰42 华东师范大学2015年硕士毕业论文第四章+5%磷酸二氧钾为较理想的修复组合。43 华东师范大学2015年硕士毕业论文第五章第五章结论与展望5.1结论(1)淋洗剂的蹄选部分选用了O.lmol/L的EDTA、梓檬酸、酒石酸、草酸、盐酸、去离子水六种淋洗剂对人工配制的镉污染土壤进行淋洗修复。实验结果表明六种淋洗剂的淋洗效率由大到小依次为盐酸>EDTA>酒石酸>梓檬酸>草酸>去68.65%EDTA.1离子水。其中盐酸对镉的去除率为,对镉的去除率为661%,酒石酸对镉的去除率为65.43%。淋洗剂浓度梯度确定最佳的淋洗浓度结果表明,O.lmol/L的EDTA对镉的去除率为66.98%。0.05mol/L的酒石酸对镉的去除率为69.15%o0.05mol/L的盐酸对镉的去除率为79.37%。最佳的淋洗pH值结果表明,O.lmol/L的EDTA的最佳淋洗pH值为3。0.05mol/L的酒石酸和0.05mol/L的盐酸的最佳淋洗pH均为初始值,不需要调节pH值。不同的时间梯度实验结果表lmoL的EDTA明.l/8h,镉的去除量为36.57mg/k,:O对镉的最佳淋洗时间为g去除率为71.04%。0.05mol/L的酒石酸对镉的最佳淋洗时间为6h,镉的去除量为37.00mg/kg,去除率为71.87%。0.05mol/L的盐酸对镉的最佳淋洗时间为4h,镉4一的去除量为1.00mg/kg,去除率为79.64%。淋洗两次后的效果优于淋洗次。EDTA和盐酸的土液比为:,:土110酒石酸淋洗时土液比为115,这样既可以去除。壤中的镉,又能够降低淋洗剂的成本(2)当石灰的添加量为,().555m/L,1%时浸出液中榻的浓度为g低于参照标准中浸出毒性的标准值Img/L。土壤的pH值为8.37。当磷酸二氢钾的添加量为10%时,浸出液中镉的浓度为0.994mg/L,土壤的pH值为6.06。当粉煤灰的添加量为5%时,浸出液中镉的浓度为0.028mg/L,,土壤的pH值为9.6。石灰、磷酸二氢钾和粉煤灰适用于镉污染土壤的稳定化修复,其中石灰和粉煤灰修复后的土壤的pH值会升高,憐酸二氢钾修复后土壤的pH值会降低。复合修复的效一+5%二果稍微优于单修复的效果。当药剂组合为0.5%石灰憐酸氢钾、0.5粉煤一灰+5%磷酸二氢钾时,浸出浓度分别为0.942mg/L和0.913mg/L,优于单修复时的效果二氢钾的10%时,浸出浓度也符合相关标准,而且修。磷酸添加浓度为H,055055%复后土壤的p变化幅度较小.%粉煤灰+%磷酸二氢钾,.%石灰+磷酸二氢钾为较理想的修复组合。44 华东师范大学2015年硕士毕业论文第五章5.2展望1淋洗修复之后可能会产生非常大量的重金属浓度较高的淋洗剂废液,如()果这些废液得不到妥善的处置,便会造成严重的二次污染。淋洗废液的回收也可以减少淋洗剂的使用量也能够节约淋洗处理的成本,关于淋洗液的二次污染的研究以及淋洗液回收的研究相对较少。淋洗液中的重金属也具有很高的回收价值,。研究恰当合理的回收技术不尽可以避免资源的浪费,也可以充分废物利用本实验中并没有对修复后的废液进行相应的研宄,今后的实验可以多对此进行研宄。2目前,国内外的众多修复技术都关注的是修复过程中重金属的量的变化()情况,对于修复以后土壤性质的变化以及土壤生态系统方面的影响研究较少,今后的实验在关注重金属去除率的基础上也要关注修复后土壤生态系统的变化以一些变化提出相应的修复方案及土壤性质的变化对植物等方面的影响,根据这。(3)目前,植物修复可能是重金属污染土壤今后修复的热点。随着生物技术的发展,超累积植物的种类越来越多,植物修复前景也来越广阔。植物修复与淋洗修复相结合,与稳定化修复技术相结合都有非常广阔的前景。各种技术相结合的原位修复技术由于对土壤影响小,治理的成本降低,非常适合农业污染土壤的治理。45 华东师范大学2015年硕士毕业论文参考文献参考文献:1环境保护部.全国土壤污染状况调查公报J.国土资源通[],国土资源部[]20-讯14,8:2629.,()2俄胜哲.[],杨思存,崔云玲等我国土壤重金属污染现状及生物修复技术研究进展J-.安徽农业科学35:9101.,2009,194906[]()[31祝蜜.重金属污染土壤的化学稳定化修复研宄[D].华中科技大学,2011.[4]王洪才.重金属污染土壤淋洗修复技术和固化/稳定化修复技术研究[D.浙江大]学2014.’5J2007-张英.重.辽.366:395.[,周长民金属铅污染对人体的危害[宁化工397]],()6赵宁亚.硫酸根离子和砷污染土壤的稳定化处理技术研究D.华东师范大[][]学2013.,[7]SaltDE,BlaylockM,KumarNPB,etal.Phytoremediation:AnovelstrategyfortheremovalofcoxicetalsfromtheenvironmentusinglantsJ.Bio/technolo,p[]gy?199513:468474.,[8]陈承利,廖敏.重金属污染土壤修复技术研宄进展[J].广东微量元素科!2004-^1110:18.,,()[9]龙新宪,杨肖娥,愧吾钟等.重金属污染土壤修复技术研宄的现状与展望应用生态学报2002-16:7.,375762,()10周东美,邓昌芬.重金属污染土壤的电动修复技术研宄进展[J].农业环境科学学[]2003224505-报:508.,,()11AcarYBAlshawabkehAN.PrincilesofElectrokinetic[,]patonJEnvT-Remedii.ironSciechnol19932713:26382647.[],,()[12]王贝贝,朱湖地,陈静等.重金属污染土壤微波玻璃化技术研究m.环境工-程2013312:9698108.,,(),[ISJAbramovitchRA,LuC,HichsE.Insituremediationofsoilscontaminatedwith-toxicmetalionsusinmicrowaveenerJ.Chemoshere200309:771.ggy[10085]p,,()[14]丁竹红胡忻,尹大强.螯合剂在重金属污染土壤修复中应用研宄进展J.生态,[]-环境学报200902:777782.,,15SemerR,ReddyKR.Evaluationofsoilwashinrocesstoremovemixed[]gp46 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华东师范大学2015年硕士毕业论文致谢致谢本文是在导师张明老师的耐心指导下完成的。张老师严谨的教学作风以及和善的教学态度,给我们创造了良好的科研氛围。在此对导师三年以来对我的悉心栽培表示最衷心的感谢。初到华师大,就被这里浓厚的学习氛围所感染,草坪上、树荫下、石桌旁、丽娃河畔,同学们读书的身影深深地触动了我。三年以来,我马不停蹄地穿梭于校园中,,也曾静静地坐在长椅上呼吸着华师大清新的空气,暂时忘却那学业的烦恼。研宄生学业即将结束,在此深深地感谢华师大给予我的学习动力。在学业上,,非常感谢张老师在三年学习过程中给予的热忱指导从论文的选题、试验方案的建立、实验过程中的及时纠错到毕业论文的修改,都得到了导师的亲自指导一。有这样位负责任又非常有耐心的导师,我感到非常荣幸,也收益颇丰。感谢三年以来给予我无私帮助和支持的同学彳兒鑫鑫、严剑芳、徐宇鐵,衷心一地祝福他们的明天更加灿烂;感谢本课题组的江涛、徐佳丽、任雪丽及年级师弟师妹王占诚、时朝辉和王小慧在实验过程中给予的热情帮助;感谢集惠瑞曼迪斯的马士龙师兄、王玉川、沈琦、刘笑尘、陈乐平等对我实验上的帮助,真诚的祝你们在今后的工作中心想事成。感谢我的父母,他们对我的无私的爱是我面对所有困难和挫折最大的动力,希望我永远是他们的骄傲。感谢论文评审、答辩委员会的各位专家、老师,感谢您们百忙之中对论文提出的宝贵评阅意见。愿你们身体健康、工作开心、合家欢乐。53

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