橫山重金屬異常煤矸石鈍化修復技術研究

張悅,杜美利,艾慶騰,吳承輝,林鵬程

(西安科技大學 化學與化工學院 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤矸石中的重金屬會受到淋溶作用進入土壤、地表水和地下水中造成生態問題[1-4]。釋放到環境中的重金屬污染物質不能通過自然作用降解，經過食物鏈累積，對人類健康構成威脅[5-8]。

鈍化技術是煤矸石金屬修復的一個有效途徑[9-10]。張彩鳳[11]研究黏土礦物鈍化劑對土壤中的鎘形態分布的影響。瞿飛等[12]研究6種生物材料對土壤中Pb、Cd鈍化，發現3.0%煙桿生物炭對Pb的鈍化效果最佳，3.0%蒙脫石對Cd的鈍化效果最佳。重金屬的危害跟它的賦存形態有關[13]，鈍化目的是將金屬有效態轉化為殘渣態[14]。

本文擬采用黏土礦物中麥飯石和沸石做煤矸石中重金屬鈍化劑，研究其對重金屬形態的影響[15-17]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

煤矸石來源：陜西省榆林市橫山縣高硫煤煤矸石(YM)。將煤矸石按照《煤炭篩分試驗方法》(GB/T 477—2008) 對試驗煤樣進行破碎、篩分。

表1所列為實驗中使用的鈍化劑。

表1 實驗所用鈍化劑

1.2 煤矸石中重金屬含量

依據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)對金屬元素含量的要求，對煤矸石中鎘、汞、鉛、鉻、銅和鎳進行ICP檢測，結果見表2。

表2 煤矸石中金屬元素含量

表2中Zn和Pb均在風險管理值內，所以本實驗著重研究Cr、Cu和Ni。

1.3 淋濾實驗

模擬當地的雨水酸堿度，采用調節pH=6.2的超純水作為淋溶液分別對煤矸石以及鈍化過后的煤矸石進行浸泡，每次加水150 mL，每隔24 h收集淋濾液，然后用pH劑測出pH。具體實驗裝置見圖1。

圖1 淋濾實驗裝置圖

1.4 煤矸石鈍化恒溫培養實驗

在培養皿中分別添加MFS-0.5、MFS-1、MFS-1.5、 FS-1、FS-1.5和FS-2作為鈍化劑與15 g煤矸石均勻混合，再添加一組煤矸石原樣品作為對照組(YM)。將7組樣品放置于20 ℃的生化培養箱進行培養，每隔一天對其進行適當攪拌，培養周期為15 d。培育結束后測煤矸石中重金屬形態變化。

2 結果與討論

2.1 淋濾實驗結果分析

煤矸石與鈍化煤矸石在靜態浸泡淋濾實驗中pH值的變化見表3和圖2。

表3 淋濾實驗濾液pH值

圖2 淋濾實驗pH折線圖

由圖2可知，由麥飯石作為鈍化劑這一組淋濾液的pH值有上升趨勢，這是由于麥飯石加入水中呈偏堿性所致，但淋濾液pH值基本平穩在7.0～7.4之間。由沸石作為鈍化劑這一組淋濾液pH值與原煤矸石基本一致，pH值基本遵守先升高再降低再回升這一規律，最后穩定在6.4～6.8之間。鈍化后的兩組與原煤矸石相比，pH值的變化都在合理范圍之內，均符合《地表水環境質量標準》(GB 3838— 2015)中的水質指標。

2.2 XRD分析

圖3和圖4分別是原煤矸石和麥飯石、沸石鈍化后的煤矸石的X射線衍射分析譜圖。從圖中可以看出，煤矸石中主要為石英、高嶺石和方解石等礦物。加入兩種鈍化劑之后，煤矸石中主要礦物質種類沒有發生變化。但在圖3中FS-1和FS-1.5的煤矸石的石英衍射峰明顯減弱，說明一定含量沸石與煤矸石結合會分解石英?？傮w來說，加入兩種鈍化劑后對煤矸石本身重金屬的賦存狀態沒有很大影響。

圖3 原煤矸石及麥飯石鈍化后煤矸石的XRD譜圖

圖4 原煤矸石及與沸石鈍化后煤矸石的XRD譜圖

2.3 重金屬形態的分析

2.3.1 兩種鈍化劑對煤矸石中鉻形態的影響 煤矸石經沸石鈍化后金屬Cr各部分的形態變化見圖5。

圖5 不同鈍化劑處理對煤矸石中Cr各形態含量的影響

由圖5可知，鉻的各部分形態均有一些變化。經實驗表明，添加鈍化劑MFS-0.5時，煤矸石的可交換態、可還原態分別減少了5.05%，7.56%，可氧化態、殘渣態分別增加了3.28%，9.3%；鈍化劑為MFS-1時，煤矸石的可交換態、可還原態分別減少了4.07%，2.56%，可氧化態、殘渣態分別增加了3.56%，3.07%；鈍化劑為MFS-1.5時，煤矸石的可交換態、可還原態分別減少了4.27%，3.44%，可氧化態、殘渣態分別增加了5.54%，1.17%；添加鈍化劑為FS-1時，煤矸石的可交換態、可還原態分別減少了5.47%，7.44%，可氧化態、殘渣態分別增加了1.51%，11.4%；添加鈍化劑為FS-1.5時，煤矸石的可交換態、可還原態分別減少了4.68%，1.34%，可氧化態、殘渣態分別增加了5.54%，0.48%；添加鈍化劑為FS-2時，煤矸石的可交換態、可還原態、可氧化態分別減少了4.46%，3.67%，0.07%，殘渣態增加了8.38%。各鈍化劑對于降低Cr中有效態的效果依次為FS-1>MFS-0.5>FS-2>MFS-1>MFS-1.5>FS-1.5，降幅依次為11.4%，9%，8.38%，3.07%，1.17%，0.48%。

2.3.2 兩種鈍化劑對煤矸石中Cu形態的影響 煤矸石經沸石鈍化處理后金屬Cu各部分的形態變化見圖6。

圖6 不同鈍化劑處理對煤矸石中Cu各形態含量的影響

由圖6可知，在煤矸石鈍化過程中，兩種鈍化劑的不同用量作用對鈍化組Cu的作用均不太明顯。加入兩組鈍化劑后Cu的殘渣態浮動均在2%以內，相對較好的是1%的麥飯石，殘渣態增加了2.87%。證明這兩種鈍化劑均對煤矸石中金屬Cu的鈍化作用不大。

2.3.3 兩種鈍化劑對煤矸石中Ni形態的影響 由圖7可知，兩組鈍化劑對煤矸石中Ni的殘渣態影響較大，有比較好的鈍化效果。原煤矸石(YM)中Ni的有效態含量是11.01 mg/kg。添加了兩組鈍化劑之后，煤矸石中金屬有效態都有了一定程度的降低。添加MFS-0.5時，煤矸石中可交換態降低了20.99%，可還原態、可氧化態、殘渣態分別增加了10.33%，0.58%，10.08%；添加MFS-1時，鈍化煤矸石的效果最顯著，可使煤矸石中有效態降低28.39%；在MFS-1.5鈍化劑處理下，可交換態、可氧化態分別降低5.58%，9.01%，可還原態、殘渣態分別增加0.65%，13.94%。鈍化劑是FS-1時，可交換態降低了20.54%，可還原態、可氧化態、殘渣態分別增加8.21%，0.95%，11.38%；添加FS-1.5時，可交換態、可還原態分別降低19.47%，2.48%，可氧化態、殘渣態分別增加0.95%，14.52%；添加FS-2時，可交換態、可氧化態分別降低12.05%，10.09%，可還原態、殘渣態分別增加5.03%，17.11%?？傮w來看，兩組鈍化劑均對煤矸石中Ni有鈍化效果，最佳效果排序為MFS-1>FS-2>FS-1.5>MFS-1.5>FS-1>MFS-0.5，結果表明鈍化劑添加量和鈍化效果并非成正比，而是應該選擇最優鈍化劑及用量。

圖7 不同鈍化劑處理對煤矸石中Ni各形態含量的影響

3 結論

(1)金屬Cr、Cu的賦存形態主要以殘渣態和可還原態為主，可氧化態和可交換態次之。Ni的賦存形態主要是殘渣態和可交換態為主，可氧化態和可還原態次之。

(2)煤矸石及鈍化煤矸石在淋濾實驗中得到的淋濾液pH值的變化都在合理范圍之內，均符合地表水環境質量標準。

(3)兩組鈍化劑對煤矸石中金屬Cr、Cu、Ni均有鈍化作用。其中1%的沸石對Cr的鈍化效果最好，其殘渣態增加了11.4%；兩組鈍化劑對Cu的鈍化效果并不明顯，相對較好的是1%的麥飯石，殘渣態增加了2.87%；1%的麥飯石對Ni的鈍化效果最佳，使其殘渣態增加了28.39%?？筛鶕喉肥饘俸坎煌x擇最優鈍化劑及用量。