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污酸石膏渣的环境稳定性与金属释放特性研究

王云燕 何紫彤 柯勇 罗永健 唐巾尧 孙竹梅 闵小波

王云燕,何紫彤,柯勇,等.污酸石膏渣的环境稳定性与金属释放特性研究[J].环境工程技术学报,2024,14(3):1056-1065 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230769
引用本文: 王云燕,何紫彤,柯勇,等.污酸石膏渣的环境稳定性与金属释放特性研究[J].环境工程技术学报,2024,14(3):1056-1065 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230769
WANG Y Y,HE Z T,KE Y,et al.Reaearch on environmental stability and heavy metals release characteristics of gypsum sludge from waste acid treatment[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(3):1056-1065 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230769
Citation: WANG Y Y,HE Z T,KE Y,et al.Reaearch on environmental stability and heavy metals release characteristics of gypsum sludge from waste acid treatment[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(3):1056-1065 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230769

污酸石膏渣的环境稳定性与金属释放特性研究

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230769
基金项目: 国家重点研发计划项目 (2020YFC1909204);国家自然科学基金创新研究群体项目(52121004);湖南省自然科学基金重大项目(2021JC0001);湖南省科技创新计划项目 (2021RC3013)
详细信息
    作者简介:

    王云燕(1975—),女,教授,从事环境电化学和固体废物处理研究,wyy@csu.edu.cn

    通讯作者:

    孙竹梅(1987—),女,副教授,从事固体废物资源环境属性解析、重金属废水处理研究,sunzhumei41@163.com

  • 中图分类号: X705

Reaearch on environmental stability and heavy metals release characteristics of gypsum sludge from waste acid treatment

  • 摘要:

    为探究火法炼铜过程产生的污酸石膏渣的环境风险,通过解析污酸石膏渣性质,采用模拟堆存、静态侵蚀、半动态侵蚀的方法研究污酸石膏渣的长期稳定性与重金属释放特性。结果表明,污酸石膏渣中As、Cd浸出浓度超标,分别为1 488.66、22.98 mg/L。其中,As的酸可提取态达87.55%,Cd的有效态超90%,存在严重环境风险。模拟堆存结果表明,污酸石膏渣为严重生态风险等级,应做好防淋失、防扬尘等措施。在静态与半动态侵蚀下,污酸石膏渣表面附着的As、Cd在化学反应、扩散等作用下大量浸出,使浓度均处于较高水平。其中,模拟填埋场环境各元素浸出浓度远高于其他模拟环境,需重点关注。

     

  • 图  1  污酸石膏渣的SEM图

    Figure  1.  SEM image of waste acid gypsum sludge

    图  2  污酸石膏渣中金属元素的化学形态分布

    Figure  2.  Chemical speciation distribution of metal elements in waste acid gypsum sludge

    图  3  污酸石膏渣模拟堆存过程中金属的浸出毒性和化学形态分布

    Figure  3.  Leaching toxicity and chemical speciation distribution of metals in waste acid gypsum sludge during simulated stockpiling process

    图  4  污酸石膏渣中重金属浸出行为

    Figure  4.  Leaching behavior of heavy metals in waste acid gypsum sludge

    图  5  污酸石膏渣浸出过程中浸提液pH变化特征

    Figure  5.  Characteristics of pH change in the leaching solution of waste acid gypsum sludge during the leaching process

    图  6  污酸石膏渣静态侵蚀前后XRD图及SEM图

    Figure  6.  XRD patterns and SEM images of waste acid gypsum sludge before and after static erosion

    图  7  污酸石膏渣半动态浸提液中金属含量的变化

    Figure  7.  Change of metal content in semi-dynamic leaching solution of treatment of waste acid gypsum sludge

    图  8  污酸石膏渣半动态浸出过程中浸提液pH变化特征

    Figure  8.  pH variation of leaching solution during semi-dynamic leaching of waste acid gypsum sludge

    图  9  污酸石膏渣半动态侵蚀前后XRD图和SEM图

    Figure  9.  XRD patterns and SEM images of treatment of waste acid gypsum sludge before and after semi-dynamic erosion

    表  1  重金属毒性响应因子取值

    Table  1.   Toxicity coefficient of heavy metals

    AsCdCrCuPbZn
    10302551
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    表  2  $ {E}_{{r}}^{i} $, PERI与金属污染水平的关系

    Table  2.   Relationship among $ {{E}}_{{r}}^{{i}} $, PERI and metal pollution level

    $ {E}_{r}^{i} $ 单一潜在生态
    风险等级
    PERI 综合潜在生态
    风险等级
    <40 轻微生态危害 <150 轻微风险
    40~80 中等生态危害 150~300 中等风险
    80~160 强生态危害 300~600 高风险
    160~320 很强生态危害 ≥600 严重风险
    ≥320 极强生态危害
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    表  3  污酸石膏渣的元素组成与含量

    Table  3.   Elemental composition and contents of waste acid gypsum sludge % 

    元素 含量 元素 含量
    Ca 26.0 Zn 0.17
    S 24.6 Fe 0.086
    As 3.36 Mg 0.13
    Na 0.94 Al 0.088
    Cd 0.22 Hg 0.0008
    Pb 0.099 Cr 0.0007
    Cu 0.069 Sb 0.03
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    表  4  污酸石膏渣中金属元素浸出毒性及超标倍数

    Table  4.   Leaching toxicity concentration and exceeding ratio of metal elements in waste acid gypsum sludge

    元素 浸出浓度/(mg/L) 浸出毒性标准/(mg/L) 超标倍数
    As 1 488.66 5 296.73
    Cd 22.98 1 22.98
    Cu 0.10 100
    Pb 0.14 5
    Zn 49.67 100
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    表  5  污酸石膏渣模拟堆存前后的潜在生态风险值

    Table  5.   Potential ecological risk values of waste acid gypsum sludge before and after simulated stockpiling

    样品 EAs ECd ECu EPb EZn PERI
    原样 数值 5 347.747 910.952 0.147 5.541 7.819 6 272.206
    等级 极强 极强 轻微 轻微 轻微 严重
    末期 数值 4 513.323 999.470 0.161 4.773 7.063 5 524.790
    等级 极强 极强 轻微 轻微 轻微 严重
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    表  6  常见的动力学方程

    Table  6.   Common dynamic equations

    模型类型 控制过程 方程式 数据来源
    未收缩反应
    核模型
    外扩散控制 X = kt 文献[12,15-17]
    内扩散控制 12/3X−(1−X)2/3 = kt
    界面化学
    反应控制
    1(1−X)1/3 = kt
    混合控制 1/3ln(1−X)+(1−X)−1/3−1= kt
    收缩核模型 外扩散控制 1(1−X) 2/3 = kt 文献[18-19]
    界面化学
    反应控制
    1(1−X)1/3 = kt
    双常数模型 lnC = a+blnt 文献[20]
    Elovich
    方程
    C=a+blnt 文献[20-21]
    Avrami
    模型
    ln(1−X)=ktn 文献[22]
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    表  7  污酸石膏渣静态浸出动力学方程拟合结果

    Table  7.   Results of kinetic equation fitting for static leaching of waste acid gypsum sludge

    元素 模拟环境 符合模型 相关系数 模型参数
    As GW Elovich方程 0.903 83 a=2.846 18
    b=3.518 22
    AR1 Elovich方程 0.656 00 a=4.084 23
    b=3.269 54
    AR2 Elovich方程 0.943 34 a=2.364 08
    b=3.154 70
    LF 混合控制 0.985 84 k=0.017 32
    Ca GW Elovich方程 0.986 33 a=14.854 28
    AR1 Elovich方程 0.698 09 b=2.547 33
    AR2 Elovich方程 0.970 30 a=12.508 44
    b=3.747 59
    LF Elovich方程 0.981 43 a=14.726 67
    b=2.045 24
    Cd LF Avrami模型 0.998 36 k=0.001 01
    n=1.884 37
    Cu LF 内扩散控制 0.967 13 k=0.000 11
    Zn LF 未收缩反应核
    模型-外扩散控制
    0.986 28 k=0.009 12
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    表  8  污酸石膏渣半动态浸出动力学方程拟合结果

    Table  8.   Results of dynamic equation fitting for semi-dynamic leaching of treatment of waste acid gypsum sludge

    元素 模拟环境 符合模型 相关系数 模型参数 元素 模拟环境 符合模型 相关系数 模型参数
    As GW 双常数模型 0.967 63 a=9.349 22 Cd GW 内扩散控制 0.988 61 k=0.000 04
    b=0.072 45 AR1 内扩散控制 0.982 32 k=0.000 04
    AR1 Avrami模型 0.989 67 k=0.309 55 AR2 Avrami模型 0.984 67 k=0.015 25
    n=0.076 97 n=0.730 69
    AR2 Elovich方程 0.977 98 a=10 353.910 7 LF 内扩散控制 0.984 35 k=0.006 79
    b=1 333.918 71 Cu LF Avrami模型 0.998 94 k=0.002 78
    LF Elovich方程 0.854 65 a=19 665.248 0 n=1.864 79
    b=1 369.819 21 Zn GW 界面化学反应控制 0.987 86 k=0.000 17
    Ca GW Avrami模型 0.992 75 k=0.016 57 AR1 界面化学反应控制 0.985 05 k=0.000 17
    n=0.757 21 AR2 Avrami模型 0.989 66 k=0.005 44
    AR1 Avrami模型 0.991 83 k=0.015 90 n=0.792 99
    n=0.767 36 LF Avrami模型 0.896 53 k=0.570 36
    AR2 内扩散控制 0.990 89 k=0.000 22 n=0.407 48
    LF Avrami模型 0.990 61 k=0.016 50 Pb LF Avrami模型 0.995 02 k=0.046 96
    n=0.754 45 n=0.748 24
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  • [1] 牟兴兵, 杨雪, 杨大锦, 等. 还原熔炼铜渣回收铜钴的试验研究[J]. 云南冶金,2017,46(3):31-34. doi: 10.3969/j.issn.1006-0308.2017.03.008

    MOU X B, YANG X, YANG D J, et al. The experimental study on copper, cobalt recovery by reduction of copper smelting slag[J]. Yunnan Metallurgy,2017,46(3):31-34. doi: 10.3969/j.issn.1006-0308.2017.03.008
    [2] KULCZYCKA J, LELEK Ł, LEWANDOWSKA A, et al. Environmental impacts of energy-efficient pyrometallurgical copper smelting technologies: the consequences of technological changes from 2010 to 2050[J]. Journal of Industrial Ecology,2016,20(2):304-316. doi: 10.1111/jiec.12369
    [3] ALEXANDER C, JOHTO H, LINDGREN M, et al. Comparison of environmental performance of modern copper smelting technologies[J]. Cleaner Environmental Systems,2021,3:100052. doi: 10.1016/j.cesys.2021.100052
    [4] 姚芝茂, 徐成, 赵丽娜. 铜冶炼工业固体废物综合环境管理方法研究[J]. 环境工程,2010,28(增刊1):230-234.
    [5] WEN Y, BAO Z, WU X M. Research on recovery of valuable metals in waste acid from copper smelting flue gas acid-making and reduction and harmless treatment of solid wastes[C]//Extraction 2018. Cham: Springer, 2018: 303-312.
    [6] LI X, ZHU X, QI X J, et al. Pyrolysis of arsenic-bearing gypsum sludge being substituted for calcium flux in smelting process[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2018,130:19-28. doi: 10.1016/j.jaap.2018.02.002
    [7] 唐巾尧, 王云燕, 徐慧, 等. 铜冶炼多源固废资源环境属性的解析[J]. 中南大学学报(自然科学版),2022,53(10):3811-3826.

    TANG J Y, WANG Y Y, XU H, et al. Analysis of resources and environmental attributes of multisource solid wastes from copper smelting processes[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2022,53(10):3811-3826.
    [8] 代群威, 郭军, 陈思倩, 等. 铜冶炼烟尘中重金属的赋存状态及浸出分析[J]. 安全与环境学报,2022,22(5):2737-2742.

    DAI Q W, GUO J, CHEN S Q, et al. Chemical speciation and leaching analysis of heavy metals in copper smelting fumes[J]. Journal of Safety and Environment,2022,22(5):2737-2742.
    [9] 李潇鼎, 田书磊, 吴宗儒等. 焚烧飞灰水热合成托贝莫来石过程中重金属的固化特性[J]. 环境工程技术学报, 2024, 14(1): 164-173.

    LI X D, TIAN S L, WU Z R, et al. Characterization of heavy metals solidification during hydrothermal synthesis of tobermorite from incineration fly ash[J]. Journal of Environmental Engineering Technology, 14(1): 164-173.
    [10] KEROLLI-MUSTAFA M, FAJKOVIĆ H, RONČEVIĆ S, et al. Assessment of metal risks from different depths of jarosite tailing waste of Trepça Zinc Industry, Kosovo based on BCR procedure[J]. Journal of Geochemical Exploration,2015,148:161-168. doi: 10.1016/j.gexplo.2014.09.001
    [11] 寇兵, 袁英, 惠坤龙, 等. 垃圾渗滤液中溶解性有机质与重金属络合机制研究现状及展望[J]. 环境工程技术学报,2022,12(3):851-860.

    KOU B, YUAN Y, HUI K L, et al. Current research situation and prospect of the complexation mechanism between dissolved organic matter and heavy metals in landfill leachate[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(3):851-860.
    [12] 李淑君. 垃圾焚烧飞灰中重金属浸出行为及磁学诊断[D]. 桂林: 广西师范大学, 2017.
    [13] 李鑫, 秦纪洪, 孙辉, 等. 炼油行业废催化剂中重金属源释放特征及其影响因素[J]. 环境化学,2021,40(4):1147-1156.

    LI X, QIN J H, SUN H, et al. Leaching of heavy metals and their impacting factors from a spent catalyst in the refinery industry[J]. Environmental Chemistry,2021,40(4):1147-1156.
    [14] 宋学东, 李晓晨. 浸提时间对污泥中重金属浸出的影响[J]. 安徽农业科学,2008,36(9):3842-3843.

    SONG X D, LI X C. Study on the effects of extraction time on the leachng of heavy metals in sewage sludge[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences,2008,36(9):3842-3843.
    [15] 史公初. 铜冶炼渣氧压硫酸浸出铜、分离铁的研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2020.
    [16] 邝薇. 垃圾焚烧飞灰中重金属的污染特性、热特性及浸出动力学[D]. 桂林: 广西师范大学, 2012.
    [17] CORMA A. Kinetics of the acid leaching of palygorskite: influence of the octahedral sheet composition[J]. Clay Minerals,1990,25(2):197-205. doi: 10.1180/claymin.1990.025.2.05
    [18] 白猛, 郑雅杰, 刘万宇, 等. 硫化砷渣的碱性浸出及浸出动力学[J]. 中南大学学报(自然科学版),2008,39(2):268-272.

    BAI M, ZHENG Y J, LIU W Y, et al. Alkaline leaching and leaching kinetics of arsenic sulfide residue[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2008,39(2):268-272.
    [19] 王新宇. 黄铜矿浸出动力学及机理研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2017.
    [20] 王翼文. 模拟酸雨条件下硫化矿尾矿中重金属的溶出特性及其固化研究[D]. 南宁: 广西大学, 2020.
    [21] 王希尹. 固废生产建材中重金属浸出方法研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2018.
    [22] 廖亚龙, 彭志强, 周娟, 等. 高砷烟尘中砷的浸出动力学[J]. 四川大学学报(工程科学版),2015,47(3):200-206.

    LIAO Y L, PENG Z Q, ZHOU J, et al. Research on kinetics of leaching of arsenic from dust containing high arsenic[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition),2015,47(3):200-206.
    [23] 王琳洁. 焚烧炉渣路用集料重金属浸出规律及数值模拟研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2020.
    [24] DICKINSON C F, HEAL G R. Solid–liquid diffusion controlled rate equations[J]. Thermochimica Acta,1999,340/341:89-103. ⊕ doi: 10.1016/S0040-6031(99)00256-7
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-26
  • 录用日期:  2024-02-15
  • 修回日期:  2024-02-15

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