殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣中Mn的固化作用及其對黑麥草生長效應

馮旭晗 劉 方 朱 健 陳祖擁

貴州大學資源與環境工程學院 貴陽 550025

電解錳行業作為典型的濕法冶金行業，促進了地方經濟快速發展，但電解錳生產過程中廢水、廢渣的排放也引發了環境污染問題。目前，我國大部分的電解錳生產廠家采用露天堆場處理電解錳渣，在自然降雨淋溶作用下，電解錳渣釋放出大量的可溶性錳（Mn2+）、氨氮（NH4+-N）及其他重金屬離子[1～3]，隨著地表徑流遷移而造成周邊土壤及水體出現嚴重污染，并且對下游水生生態系統及農業生態系統造成明顯的影響[3]。當前，控制電解錳渣污染物遷移，主要是對固體廢渣采用固化及穩定化技術，通過施加固化劑降低Mn的生物有效性和可遷移性，從而減少電解錳渣對環境的危害性。

腐植酸（HA）具有較好的吸附、絡合和螯合能力，腐植酸類材料作為穩定劑已較多應用于重金屬污染水體及污染土壤修復[4～9]。殼聚糖是一種強有力的粘合劑，它作為重金屬吸附劑及穩定劑也廣泛應用在土壤生態修復方面[10，11]。然而，土壤修復改良劑不僅需要考慮固化重金屬的能力，同時要考慮該改良劑是否影響植物的正常生長，這是廢渣堆場生態修復的關鍵。電解錳渣中Mn、N、S等是植物生長的營養元素，其含量過低或過高均會影響植物生長，但它們大量淋溶遷移，又會影響錳渣堆場周邊的水環境質量，特別是Mn。因此，本研究以黑麥草為對象，通過利用改性腐植酸-殼聚糖復合材料對電解錳渣中的Mn進行固化，探究改性腐植酸-殼聚糖復合材料對錳渣中Mn淋溶遷移的調控效果以及對黑麥草生長的影響，為錳渣堆場的生態修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

山西大同褐煤（腐植酸含量52.0%）、殼聚糖（脫乙酰度≥95%）為市場購買，將褐煤自然風干后磨細過60目篩備用。電解錳渣采自貴州銅仁松桃縣某電解錳廠，供試土壤為電解錳渣堆場周邊由碳酸巖發育的石灰性土壤，將采集的錳渣及土壤樣品在實驗室自然風干過1 mm篩后保存備用。供試草種為多年生黑麥草。電解錳渣和供試土壤的基本性質見表1。

表1 供試材料的基本性質Tab.1 Basic properties of test materials

1.2 改性腐植酸材料的制備

取褐煤和氫氧化鈉按質量比5∶1混合，加適量蒸餾水后攪拌混勻，靜置24 h。取上清液用10%的鹽酸調節溶液pH=2，攪拌混勻后靜置24 h。用真空泵抽濾得到濾渣，用蒸餾水反復洗滌抽濾至溶液呈中性，把濾渣在電熱鼓風機中90 ℃烘干至恒重，即得到不溶性腐植酸，再將其置于馬弗爐中330 ℃下灼燒1 h，使其快速脫水，在2 mol/L 氯化鈣溶液中浸泡2 h后過濾，然后用1 mol/L硝酸鈉溶液和蒸餾水反復洗滌，所得固體在80 ℃下干燥后存放[12，13]。

1.3 殼聚糖-改性腐植酸復合材料的制備

稱取6 g殼聚糖溶解于100 mL體積分數為5%醋酸溶液中，加入2 mL環氧氯丙烷，機械攪拌4 h后加入6 g不溶性腐植酸粉末，繼續高速攪拌30 min制得均勻糊狀物，通過蠕動泵將上述糊狀物滴加到置于磁力攪拌器上的0.2 mol/L NaOH溶液中，放置24 h，用蒸餾水洗滌糊狀物至中性后烘干，常溫下密封保存[14]。

1.4 殼聚糖-改性腐植酸復合材料對Mn的固化效率

將褐煤、改性腐植酸、殼聚糖-改性腐植酸復合材料按照10%比例加入電解錳渣中，并設置未添加材料的錳渣為空白對照組，混合后保持50%的含水率，每組設置兩個平行樣，培養30天，在1、4、7、14、21、28天分別取樣烘干，按照《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平震蕩法》（HJ 577-2009），稱1 g樣品加入浸提劑（純水）30 mL，在室溫下振蕩8 h后靜置16 h，用0.45微孔過濾頭過濾，用火焰原子吸收光譜儀測定浸出液中Mn的濃度。材料對Mn的固化效率（η）由下式確定：

式中：Ck——空白組Mn的浸出濃度（mg/L）；

Ce——材料與錳渣反應平衡后Mn的浸出濃度（mg/L）。

1.5 性能表征

采用日本電子株式會社公司生產的場發射掃描電子顯微鏡（JSM-2100F）對樣品微觀形貌（SEM）進行觀察；將樣品與KBr粉末按一定比例混合研磨，常溫壓片后進行紅外光譜測試（FTIR），測試波長為400～4000 cm-1；采用比表面及孔容孔徑分析儀（康塔Autosorb-iQ）測定樣品的比表面積（BET）及孔徑、孔體積。

1.6 盆栽試驗

為探討殼聚糖-改性腐植酸復合材料在錳渣堆場生態修復中應用的可行性，采用盆栽試驗研究其對錳渣中Mn淋溶遷移及對黑麥草生長的影響。先將電解錳渣和土壤按7∶3比例進行混合形成錳渣-土壤混合基質，再將殼聚糖-改性腐植酸復合材料（按照5%、10%、15%的比例）均勻施入到錳渣-土壤混合基質中，在構建的錳渣-土壤混合基質上種植多年生黑麥草。盆栽試驗設4個處理，即對照處理CK（未添加殼聚糖-改性腐植酸復合材料的錳渣）、處理1（添加5%殼聚糖-改性腐植酸復合材料）、處理2（添加10%殼聚糖-改性腐植酸復合材料）、處理3（添加15%殼聚糖-改性腐植酸復合材料），每個處理3次重復。盆缽采用（上下內徑分別為10.5 cm和7.5 cm，高11.5 cm）可漏水的塑料盆，盆底部裝有塑料桶接收滲透水。播種后每天早中晚各噴灑澆溉一次蒸餾水（30 mL），在黑麥草生長的第1、4、7、14、21、28天分別收集滲透水樣品，每次取100 mL滲透水用0.45微孔濾膜過濾后待測溶液中Mn的濃度，同時將塑料桶內滲透水倒掉，重新進行下次水樣收集。

1.7 測定方法

黑麥草生長28天后測定株高（葉片拉直后最大高度）及生物量（地上部及根系）。生物量測定是將每盆黑麥草摘取后，先用自來水沖洗去除粘附于黑麥草樣品上的泥土，再用去離子水沖洗，濾紙吸干表面水分后在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃烘干至恒重后稱重。同時將其地上部和地下部粉碎制備成植物樣品，采用HNO3-HClO4消煮，然后用原子吸收分光光度計進行Mn含量測定。

1.8 數據分析

用SPSS 22.0及 Excel 2007進行數據的處理與分析，用Origin進行數據與圖表分析。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖-改性腐植酸復合材料特性及其對電解錳渣中Mn的固化效果

通過掃描電鏡（SEM）測試研究褐煤和殼聚糖-改性腐植酸復合材料形貌結構的變化，如圖1所示，可以看出，褐煤表面較為平滑，孔洞較少，而經過一系列改性及復合后制備的殼聚糖-改性腐植酸復合材料的表面變得粗糙，且孔洞增加，使得吸附能力增加，致使材料對Mn的固化效率提升。

圖1 褐煤（A）和殼聚糖-改性腐植酸復合材料（B）SEM對比Fig.1 SEM comparison of lignite (A) and the chitosanmodified humic acid composite material (B)

從褐煤和殼聚糖-改性腐植酸復合材料比表面積及孔徑、孔體積的變化看出，褐煤經過提取腐植酸，高溫活化再與殼聚糖進行復合后材料表面更多的細微孔隙被打開，使得殼聚糖-改性腐植酸復合材料與未改性褐煤相比表面積和孔容都有了較大的提升，其比表面積達4.490 m2/g、平均孔徑為3.795 nm、平均孔體積是0.008 cm3/g；分別比褐煤提高了56.83%、114.64%和166.67%。從褐煤和殼聚糖-改性腐植酸復合材料的紅外光譜圖可知（圖2），3800～3000 cm-1為-OH吸收振動區，羥基是煤分子形成氫鍵的主要官能團，它與不同的氫鍵受體可形成不同類型的氫鍵，而殼聚糖-改性腐植酸復合材料的羥基波峰發生右移至3371.32 cm-1處。3000～2800 cm-1為脂肪族C-H的吸收振動區，2924 cm-1處歸屬于-CH2的不對稱伸縮和對稱伸縮振動吸收峰。1800～1000 cm-1為含氧官能團區，此區是除羥基在3400 cm-1附近外，羰基、羧基和醚氧的聚集區，該區域內還有C=C伸縮振動、-CH2和-CH3的彎曲振動和各種C=O的伸縮振動[15，16]。而含氧官能團區是吸附重金屬的重要影響區，殼聚糖-改性腐植酸復合材料的親水官能團（羥基、醚鍵）的振動強度增強，說明殼聚糖-改性腐植酸復合材料親水性提高；此外，殼聚糖-改性腐植酸復合材料的含氧官能團震動增強，從而提高了復合材料對重金屬的吸附能力?？梢?，殼聚糖-改性腐植酸復合材料的吸附效率明顯優于褐煤。

圖2 褐煤和殼聚糖-改性腐植酸復合材料傅里葉紅外光譜對比Fig.2 FTIR comparison of lignite and the chitosan-modified humic acid composite material

殼聚糖-改性腐植酸復合材料對電解錳渣中Mn的固化效率隨時間的變化特征見圖3。由圖中可知，在第1天、第4天時，殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣中Mn固化效率影響不大，在第4天時，殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣中Mn的固化效率為42.7%，這是因為電解錳渣中Mn在實驗初期溶出率不高。從第7天開始，固化效率開始大幅提升，至第28天時，褐煤、改性腐植酸、殼聚糖-改性腐植酸復合材料的固化效率分別達47.6%、56.8%、79.6%?？梢?，殼聚糖-改性腐植酸復合材料的固化效果較好，對錳渣中Mn的固化效率隨時間的增加而增大，在第28天時對Mn的固化效率達79.6%。

圖3 不同時間下褐煤、改性腐植酸和殼聚糖-改性腐植酸復合材料對Mn浸出濃度的影響Fig.3 Effects of lignite, modified humic acid and chitosan-modified humic acid composite material on the Mn leaching concentration at different times

2.2 殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣-土壤混合基質上黑麥草生長及植株吸收Mn的影響

播種后對多年生黑麥草在錳渣-土壤混合基質上的株高及其生物量進行記錄和測定。由表2可以看出，錳渣-土壤混合基質添加殼聚糖-改性腐植酸復合材料后黑麥草的株高及其生物量與對照有顯著性差異，在第28天時，處理1黑麥草的株高及其生物量最大，分別比對照平均提高了56.71%、175.61%；而處理2和處理3間黑麥草株高無顯著差別，處理2和處理3間黑麥草生物量差異顯著?？梢?，在錳渣-土壤混合基質中施用適量的殼聚糖-改性腐植酸復合材料能夠明顯促進黑麥草的生長。

表2 不同處理下黑麥草的株高和生物量Tab.2 Plant height and biomass of ryegrass under different treatments

不同處理下黑麥草地上部和地下部對Mn的吸收累積特點見圖4。植物地下部Mn含量明顯高于地上部Mn含量，說明根系是黑麥草富集Mn的主要器官。由圖可知，添加殼聚糖-改性腐植酸復合材料處理均與對照呈顯著性差異，處理1黑麥草對錳渣-土壤混合基質中Mn的吸收累積量（植株Mn含量×生物量）達到最大，地上部和地下部（根系）的吸收累積量可達到6.03 mg和2.24 mg，相對于對照提升了5.29倍和3.11倍，但隨著殼聚糖-改性腐植酸復合材料投加量的增加，則開始出現抑制效應。

圖4 不同處理下黑麥草地上部和地下部Mn的含量Fig.4 Mn content in the aboveground and belowground of ryegrass under different treatments

2.3 殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣-土壤混合基質中Mn淋溶遷移的影響

殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度的影響趨勢如圖5所示。第一天CK組中Mn濃度高達3504.8 mg/L，遠遠超過《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準；加入了不同比例的殼聚糖-改性腐植酸復合材料（處理1，處理2，處理3），在黑麥草的耦合作用下，錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度均低于對照值，減少比例為29.2%～39.6%。隨著淋溶天數的增加，淋溶液中Mn濃度逐漸降低，在第7天時，空白對照Mn濃度下降53.7%，在第14天時下降了69.3%，第28天CK組滲濾液中Mn濃度為516.3 mg/L；而施加了殼聚糖-改性腐植酸復合材料的錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度出現大幅度下降，下降比例為67.4%～83.7%。其中，處理1效果最佳，錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度為84.1 mg/L，下降比例為83.7%。

圖5 不同處理下錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度的變化Fig.5 The change of Mn concentration in the leachate of mixed matrix of manganese slag and soil under different treatments

2.4 殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳固定的機理分析

由殼聚糖-改性腐植酸復合材料對電解錳渣中Mn的固化效率看出，其固化效率隨著時間的增加逐步增加，第28天時對Mn的固化效率達到79.6%。通過各種表征手段研究發現褐煤、殼聚糖-改性腐植酸復合材料使得表面孔隙增多，比表面積增大，含氧官能團振動增強，使得材料對Mn的固化效率提升。故將殼聚糖-改性腐植酸復合材料施加到電解錳渣中后發現，殼聚糖-改性腐植酸復合材料能明顯減少電解錳渣中Mn的淋溶遷移，這種效果一方面是殼聚糖-改性腐植酸復合材料對錳的固化作用，說明殼聚糖-改性腐植酸復合材料是通過改性腐植酸和殼聚糖共同作用下對Mn進行固化，一些實驗也表明改性腐植酸具有較強的固化能力[15，16]。殼聚糖在吸附重金屬方面已有較多的研究[14，17]，殼聚糖對多種重金屬都具有良好的吸附效果，是因為殼聚糖聚合物中含有大量官能團如酰胺基、胺基和羥基，這些易化學反應性官能團和聚合物鏈的多功能性解釋了其良好的金屬吸附性能。Li等[18]制備了由季銨鹽修飾的殼聚糖吸附劑，用于去除Cr（VI），結果表明，強陽離子基團富集改性殼聚糖對Cr（VI）的吸附能力優良，所以說制備的復合材料對錳渣中的Mn有較好的固化能力。

另一方面，黑麥草生長過程中植株對錳的吸收也起重要作用。本研究表明，與空白對照對比發現，殼聚糖-改性腐植酸復合材料的加入使得黑麥草對錳渣-土壤混合基質中Mn的吸收累積量大幅提升，其地上部與地下部相對于空白對照提升了5.29倍和3.11倍，這種植物累積作用主要是添加殼聚糖-改性腐植酸復合材料大大增加了黑麥草生物量，從而提高了錳渣-土壤混合基質中有效性Mn向植物體轉移量，減少了Mn的淋溶遷移及其對水環境的影響。殼聚糖是一種植物生長調節劑，能提高種子的發芽率和實生苗株高，加速種子萌發過程中胚乳淀粉的水解，為種子的萌發提供充足的養分，有利幼苗生長，達到增產目的[9]。然而，本研究通過殼聚糖-改性腐植酸復合材料與黑麥草的耦合作用，在黑麥草生長將近一個月后錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn濃度依然達84.1 mg/L，遠遠高于工業廢水排放標準。因而，從水環境保護的角度來看，還需對殼聚糖-改性腐植酸復合材料在電解錳渣中適宜添加量及安全閾值做進一步的實驗研究，才能全面評價殼聚糖-改性腐植酸復合材料與黑麥草的耦合作用及其生態效應。

3 結論

（1）殼聚糖-改性腐植酸復合材料對電解錳渣中Mn的固化效率達到了47.6%～79.6%。并隨時間的延長而增加。殼聚糖-改性腐植酸復合材料的比表面積、孔徑、孔體積均出現不同程度的提升，特別是孔體積；通過紅外光譜對殼聚糖-改性腐植酸復合材料進行表征，顯示該材料的親水性和對重金屬的吸附能力提高。

（2）在錳渣-土壤混合基質中添加5%的殼聚糖-改性腐植酸復合材料后，黑麥草的株高及生物量均出現顯著性增加，黑麥草地上部和根系中Mn的吸收累積量比對照提升了5.29倍和3.11倍，黑麥草對錳渣-土壤混合基質中Mn的吸收固定量出現明顯的提高。

（3）添加殼聚糖-改性腐植酸復合材料的錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn含量出現大幅減少，與黑麥草耦合作用下，錳渣-土壤混合基質滲濾液中Mn含量減少了67.4%～83.7%；利用殼聚糖-改性腐植酸復合材料改良錳渣-土壤混合基質及種植黑麥草對錳渣堆場Mn的淋溶遷移有較好的調控效果及工程應用前景。