纳米零价铁强化植物修复电子垃圾污染土壤的效果和机理
纳米零价铁强化植物修复电子垃圾污染土壤的效果和机理
【摘要】： 在中国和世界其它国家,电子垃圾拆解技术通常是原始粗放的,缺乏对于环境保护与操作人员安全的考虑。手工拆解、露天焚烧和酸洗等,这些不当拆解导致了严重的环境污染问题。其中,土壤作为众多环境污染物的“汇”和人类物质食粮的基质,其安全性显得更为重要。本文首先综述了植物修复电子垃圾污染土壤和纳米零价铁在污染土壤和底泥修复中的作用方面的研究进展。之后,以广东省贵屿镇表层土和河流底泥中受电子垃圾污染为例,系统调查了电子垃圾污染导致的持久性有机污染物(POPs)和金属的污染现状和不同历史时期的含量分布的趋势。结果表明：贵屿镇PCBs和PAHs污染十分严重,整治环境污染的压力依然严峻；PAHs的分布规律证实了露天焚烧活动是环境污染的重要污染源,对当地环境污染的贡献最大,其他各点随着距离污染源的变化而变化。分析不同历史时期污染物分布变化,不同时期污染物变化趋势为：∑PCBs和二噁英类PCBs含量的极值出现在电子垃圾拆解鼎盛时期；而PAHs不同时期不同地点各类物质的变化趋势各有不同,但是污染物浓度分布一致：露天焚烧点>打印机轴存放地>稻田；采集样品中重金属含量包括河流沉积物和表层土壤,均超过《国家土壤环境质量标准》一类土壤环境质量标准(Cr除外),其中污染最严重的是Cd和Cu。除此之外,还研究了孔雀草花朵颜色对电子垃圾污染的敏感指示作用,并揭示了相关机理。结果表明：总黄酮含量和咖啡酸含量对土壤Cd和PCBs的复合污染有一定的指示性,表现为在较高浓度Cd污染(0-10mg/kg)，PCBs对孔雀草的生长起到一定的促进作用,且开花较多,颜色也较为鲜艳。在此研究基础上,建立了土壤污染早期预警的监测方法,比传统的化学方法更直观,操作简单,成本廉价。随后进行了花卉原位修复电子垃圾污染土壤的可能性研究。采用液相还原方法制备出三种纳米零价铁和负载型纳米零价铁,研究其对凤仙花和孔雀草的发芽率和根长的急性毒性和株高、鲜重、叶比表面积的慢性毒性实验。纳米零价铁和负载型纳米零价铁对孔雀草的发芽率影响较大,高浓度纳米零价铁(0.02%,w纳米零价铁/w土壤)对凤仙花的生长产生了严重的抑制作用,但是各处理浓度对孔雀草的生长并未产生明显的影响。蛭石负载和活性炭负载纳米铁与纳米零价铁相比,对凤仙花和孔雀草的毒性有一定的减弱。本研究为后期利用纳米铁联合植物修复土壤污染提供了重要的数据支持,但是纳米零价铁在植物体内的迁移转化和富集机理还需进一步深入研究。研究纳米零价铁联合凤仙花修复PCBs-Pb复合污染土壤中PCBs。盆栽实验结果显示,凤仙花表现出了较好的耐性及对PCBs累积能力,PCBs在中低浓度对植物生长起促进作用。该实验中凤仙花在修复土壤中的PCBs表现了一定的潜力,且修复效率随着生长期的延长而提高。0.05%纳米零价铁的添加对凤仙花修复复合污染土壤中PCBs有促进作用。生长三个月后,PCB18和28的修复效率分别提高了11.69-13.86%。纵向对比不同月份,凤仙花生长一个月时,纳米零价铁的添加的修复效率提高最多,PCB18和28分别提高了17.19%和9.62%。后两个月的上升并未如此显著。所以,后期如果适当延长植物生长期,优化纳米零价铁的添加量和添加方式,可进一步提高对PCBs的修复效果。研究三种纳米零价铁和负载型纳米零价铁对孔雀草在PCBs-Cd复合污染土壤PCBs的影响及其机理分析。在实验浓度范围内,孔雀草对PCBs的降解效率随着染毒浓度的增加而增大。以Cd染毒浓度为1mg/kg为例：PCBs浓度为50μg/kg时修复效率仅为7.19%-11.67%,当PCBs染毒浓度为100和500μg/kg时,孔雀草对PCBs的修复效果由19.23%-23.77%上升至38.40-42.86%；纳米零价铁添加提高了孔雀草修复PCBs的能力。三种纳米零价铁和负载型纳米零价铁相比,活性炭负载纳米铁的修复效果最高,其次为蛭石负载纳米铁,最后是纳米零价铁。原因可能在于负载型纳米零价铁具有一定形状,这样就有效地抑制了纳米零价铁的团聚性,且使其活性较为缓慢地释放。活性炭负载型纳米铁在颗粒表面及内部形成了具有吸附能力的活性位点,修复效果高于蛭石负载纳米零价铁。通过正交实验设计研究纳米零价铁和负载型纳米零价铁对修复Pb-PCBs复合污染土壤中Pb的积累性影响。结果可知：蛭石负载纳米零价铁和活性炭负载纳米零价铁对凤仙花修复PCBs-Pb复合污染土壤特别是提取修复Pb的效果有不同表现。但是纳米零价铁的添加对Pb的富集起到抑制作用,分析其可能原因或许在于纳米零价铁的加入降低了Pb的生物可利用性,导致凤仙花对其富集能力下降,但其具体的修复机理有待于进一步研究。总之,以三种纳米零价铁和负载型纳米零价铁为强化剂,选择电子垃圾污染的典型污染物PCBs、Pb和Cd为污染物代表,以观赏类花卉凤仙花和孔雀草为供试植物,采用土壤盆栽实验,探讨纳米铁-植物联合修复技术对电子垃圾污染土壤的修复潜力,为后续实际污染场地修复效率的提升提供技术支撑和理论依据。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
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