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赤泥中重金属元素的浸出性与结合形态分析
发布日期:2017-06-30   浏览次数:43
核心提示:赤泥是一种碱性工业固体废弃物,含有多种成分。采用等离子体质谱仪分析了赤泥中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Cs和Pb等8种重金属元素的含量。
 赤泥是氧化铝工业过程中排放的一种工业固体废弃物。每生产1吨氧化铝大约要排放1-1.5吨的赤泥,据估算,全球每年排放赤泥约1.5亿吨[1]。由于物相组成复杂、粒径细小、排放量大、碱性和放射性高等特征,赤泥的资源化与综合利用难题,至今尚未得到有效解决。铝土矿伴生的多种有价元素,通过氧化铝工业过程转移并富集在赤泥中,因此赤泥也视为重要的“二次资源”。大量的赤泥主要采用露天堆放,其维护处置成本约占氧化铝产品产值的5%[2],既占用土地,又浪费资源。与此同时,堆存的赤泥还带来了严重的环境污染与生态破坏问题,如,2010年匈牙利的Ajkai铝厂发生赤泥坝决堤,100万立方米的赤泥外泄,流入周边的7座村庄,造成10人死亡,多人受伤[3],随后赤泥流入多瑙河,引发欧洲多国恐慌[4]。赤泥中有毒有害元素同样来源于原矿铝土矿,其中有些重金属元素含量较高,对堆场周边的土壤、水系等造成一定的潜在危害。

逐级提取法(Sequential extraction procedure)是地球科学与环境科学用于研究元素形态的重要手段[5],并广泛应用于土壤、沉积物、固体废物、大气颗粒物中元素分配、迁移、转化研究以及生物有效性和毒性评价等领域[6]。本文采用等离子体质谱微量元素分析法、逐级提取法等手段,对贵州地区典型赤泥中重金属元素含量和结合形态进行研究,讨论了赤泥中重金属元素的溶出特征,评估了赤泥对环境的潜在危害性。

实验部分

1. 样品与分析测试

本文以中国铝业贵州分公司拜耳法赤泥(BRM)和烧结法赤泥(RMS)为研究对象。除了原料的差异,拜耳法与烧结法的反应温度和添加料也有较大的不同。因此两种赤泥不仅是主微量化学成分有着较大差别,主要物相也有较大差异,同时,微量元素,如重金属,在样品中的含量及赋存形态有着很大不同。

逐级提取前的赤泥原样,以及逐级提取最终残渣态样品中重金属元素的含量,采用HF+HNO3消解[7],电感耦合等离子体质谱(PerkinElmer 公司,ELAN DRC-e型)进行分析测试。逐级提取法各步骤所得的液体样品均采用等离子质谱进行分析测试,测试工作在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。

2. 逐级提取实验

本文结合文献报道,对Tessier逐级提取法中部分步骤进行了微调[5,8-10],选用拜耳法赤泥和烧结法赤泥各3组作为平行样,实验具体操作步骤如下:

I水溶态(Water-soluble):精确称取3.00 g赤泥样品放入50 mL 离心管中,加入30 mL蒸馏水,室温振荡24 h,离心分离(4000 r/min,20 min),将上清液全部移出,加少量蒸馏水洗1-2次,蒸馏水定容,冷藏待测。

II可交换态(Exchangeable):将I所得残渣中加入30 mL 1 M的MgCl2溶液,室温振荡24 h,离心分离(4000 r/min,20 min),将上清液全部移出,加少量蒸馏水洗1-2次,蒸馏水定容,冷藏待测。

III碳酸盐结合态(Bound to carbonates):将上一步所得残渣加入30 mL 1 M的 NaAc (用CH3COOH调pH为5),室温振荡24 h,离心分离(3 500 r/min,20 min),将上清液全部移出,蒸馏水定容,冷藏待测。

IV铁锰氧化物结合态(Bound to Fe-Mn oxide)向上一步所得残渣加入30 mL 25% v/v的CH3COOH溶液(内含0.04 mol/L NH2OH·HCl),转移至玻璃质比色管,水浴加热至96 ±3 ℃反应6 h,伴有间歇振荡,反应后冷却离心分离(4000 r/min,15 min),将上清液全部移出,蒸馏水定容,冷藏待测。

V有机结合态(Bound to organic matter)向上一步所得残渣加入9 mL 0.02 M HNO3 和 12.5 mL 30% H2O2 (用HNO3调pH为2),在85 ± 2 ℃ 水浴条件下反应2 h,并伴有间歇性搅拌。随后再加入9 mL 30%的H2O2 (用HNO3调pH为2),在85 ±1 ℃ 水浴条件下反应3h,并伴有间歇性搅拌。冷却后,再加入15 mL 20% (v/v) 的HNO3 (内含3.2 M NH4OAc),并加水稀释至60 mL,连续搅拌反应30分钟。离心分离(4000 r/min,15 min),将上清液全部移出,蒸馏水定容,冷藏待测。

 
 
 
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