煤灰的环境效应研究

张 刚, 康艳红, 殷丽萍

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)



煤灰的环境效应研究

张 刚, 康艳红, 殷丽萍

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

分别采用HCl、CaCl2、DTPA和EDTA四种浸提剂提取粉煤灰中Cr、Hg、Pd、Cd、As五种重金属污染元素,探讨温度、灰土比例及颗粒大小对浸提情况的影响,并通过正交实验方法,优化实验条件,并分析了4个产地粉煤灰中重金属浸提量。实验结果表明:浸提剂种类对重金属元素的浸提量影响最大,粉煤灰粒径影响最小;随着温度的升高,粉煤灰中重金属浸提量增加;粉煤灰以30%的比例与土壤混合时,重金属浸提量较大。当在最大浸提条件下,即40 ℃时,粉煤灰粒径在100～200目,以30%的比例与土壤混合,用DTPA浸提剂进行浸提,重金属(Cd不显著)浸提量超过100%土壤和100%粉煤灰,且浸出趋势与粉煤灰粉产地、种类关系不大。

粉煤灰; 浸提; 重金属

0 引 言

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物,粒径主要集中在1～500 μm[1]。2000年我国每年排放的粉煤灰量达到1亿多吨,并且其重复利用率仅为41.7%[2]。粉煤灰的主要化学成分为铝、硅、铁氧化物以及一定量的钙、镁、硫氧化物[3]。可作为合成水泥、沸石的原料[4-5];填埋土地、生产化肥[6]。在曾正中的研究中,将粉煤灰与垃圾场黄土混合,研究改良后土壤的渗透性,并对加入粉煤灰的土壤内重金属含量转移情况进行研究[7]。在赵智的研究中,通过植物富集重金属来研究粉煤灰与沙土混合后的重金属含量情况,加入聚丙烯酰胺(PAM) 改变了植物吸收重金属的自然数值,虽然植物体内重金属含量达到国家标准,但对于目前国内如此多的粉煤灰,聚丙烯酰胺(PAM)的需求量过大,在实际应用中存在一定困难[8]。在胡振琪的研究中,将粉煤灰用于填埋塌陷土地,虽检测出重金属超标,但粉煤灰混合比例均在50%以上,不能确定是否已达到经粉煤灰填埋后土壤重金属含量的最大值对环境产生的最大危害[9]。针对上述研究中出现的问题,结合我国目前处理粉煤灰的实际情况,认为将粉煤灰与土壤直接混合的方式为最佳方案,为了减小环境污染的,节约经济,对粉煤灰粒径的大小和填埋比例这2种因素进行实验探究[10]。

1 实验部分

1.1 实验仪器

行星式球磨机(QM-3SP2南京大学仪器厂)、标准检验筛(浙江省上虞市纱筛厂)、DER电感耦合等离子原子发射光谱仪(美国利曼Lee man公司)。

1.2 实验药品

盐酸 AR、氯化钙、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙三胺五乙酸(DTPA)均为分析纯、硝酸优级纯、Cr、Cd、Pb、Hg、As标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)、实验用水均为二次去离子水。

1.3 实验部分

1.3.1 粉煤灰样品制备

将粉煤灰烘干后破碎处理成小颗粒,置于球磨机中,加入5个大球,8个小球,研磨4 min。将磨好的粉煤灰置于规格分别为100目、200目、300目的准筛中充分振荡,筛分后得到粒径>100目、100～200目、200～300目、<300目的4种规格的粉煤灰,备用。将土壤样本干燥后,置于规格为60目的标准筛中振荡,得到粒径<60目的土壤样本,备用。

1.3.2 浸提剂配制

目前对土壤重金属有效态进行研究,多采用化学试剂提取法[11]。通过对比选取了HCl、CaCl2、DTPA、EDTA四种浸提剂[12-16]。分别配置0.1 mol·L-1HCl、0.005 mol·L-1DTPA、0.1 mol·L-1CaCl2、0.001 mol·L-1EDTA标准溶液各1 000 mL贴好标签,放入冰箱中备用。

1.3.3 实验方法

将不同比例、不同粒径的粉煤灰与土壤混合后总质量达到5 g,倒入装有50 mL不同的浸提剂的锥形瓶中,置于不同温度的恒温水浴振荡锅中振荡120 min。取浑浊液于离心管中,放入离心机中离心8 min,取出上清液20 mL放入容量瓶中,用ICP电感耦合分光光度计测量Cr、Cd、Pb、Hg、As含量,再进行数据换算处理。处理数据后,选择最优实验条件将4种不同地区的粉煤灰按比例混合后,对混合物内重金属的浸提量进行测量。

2 实验结果与分析

2.1 正交试验设计与结果

采用正交实验法,选取处理四因素四水平L16(44)正交表1,从而选择最佳的消化条件,实验结果见表2。

表1 最佳浸提方法正交设计表L16(44)

表2 实验结果(mg·kg-1)

注:以Cd元素为例。

以Cd元素为例,正交实验结果见表2,对于影响因素粉煤灰含量A,K2>K4>K1>K3,说明在粉煤灰以30 %的比例与土壤混合时,重金属浸提的含量最多,50%时浸提量最小;对于影响因素温度B,K4>K3>K2>K1,说明随着环境温度的升高,粉煤灰中的重金属浸提的含量也逐渐增多;对于影响因素浸提剂C,K3>K1>K4>K2,说明用DTPA浸提的效果最佳。对于影响因素粉煤灰粒径D,K2>K1>K4>K3,说明粉煤灰粒径在100～200目时,重金属含量浸提量最高。通过极差分析,浸提剂种类对Cd元素的浸提情况影响最大,而粉煤灰颗粒大小影响最小。

Pb、Hg、As元素与Cd规律变化趋势相同,实验结果见表3。在以0.1 mol·L-1HCl为浸提剂时,Cr表现出与其他测量元素不同的浸提规律,在粉煤灰粒径为200～300目时,Cr元素在HCl浸提剂中浸提量最大。由于Cr元素的浸提情况不仅受温度、粉煤灰含量的影响,外界环境的改变也会对其浸提情况造成干扰。相同条件下,重金属元素在酸性条件下浸提情况最佳,除Cr元素外,其他4种元素在粉煤灰粒径为100～200目时,其浸提量最大,而Cr元素在200～300目时浸提量最大。是由于Cr元素进行离子交换时需要能量较低,粉煤灰粒径在200～300目时,分子之间作用力增加,对离子交换提供能量降低,达到Cr元素离子交换所需的能量级,因此Cr元素浸提量达到最大。

表3 实验结果

注:mg·kg-1是指1 kg粉煤灰与土壤的混合物中含有的重金属量。

2.2 不同地区的粉煤灰实验结果与分析

随机选取4种不同产地的粉煤灰进行5种重金属元素的测量,依据获得最大浸提浓度确定实验条件,即100～200目粒径的粉煤灰以30%的比例与土壤混合,在40 ℃、用DTPA浸提剂进行浸提。实验结果见表4。

表4 实验结果(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,其他各重金属元素均大于全土壤内的重金属浸提量,数据表明当粉煤灰粒径在100～200目时,以30%的比例与土壤混合,40 ℃时,用DTPA浸提剂进行浸提,重金属量超过100%土壤和100%粉煤灰重金属浸提量。因此在进行粉煤灰填埋处理时,粉煤灰粒径应小于200目,加入比例不应选择30%。

3 结 论

1) Cr元素,在酸性条件下当粉煤灰粒径在200～300目时HCl浸提剂对土壤中Cr元素的吸附能力最小,Cr浸提量达到最大。

2) 当粒径在100～200目的粉煤灰以30%的比例与土壤混合,40 ℃、用DTPA浸提剂进行浸提,浸提出重金属总量最大。

3) 因此在进行粉煤灰填埋处理时,粉煤灰粒径应小于200目,加入比例不应选择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。

辽宁省科学技术计划项目(201202198)。

张 刚(1990-),男,辽宁开原人,沈阳师范大学硕士研究生; 通信作者: 康艳红(1968-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士,硕士研究生导师。

1673-5862(2015)01-0125-04

X53

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.028