一种沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种沉积物‑水界面磷释放控制材料的制备方法与应用，所述材料首创性地以湖泊沉积物与高岭土混合物为基本原料，经氧化、铁盐改性、造粒和焙烧等处理过程，显著降低了材料对磷酸盐的吸附‑解吸平衡浓度EPC0值，提高了其线性分配系数Kd值，使得本发明专利技术的材料可有效削减沉积物间隙水磷酸盐浓度，抑制沉积物‑水界面磷酸盐释放，由于材料本身磷酸盐的解吸能力较弱，吸附能力和缓冲能力均较强，因此本发明专利技术所述材料能够真正实现对沉积物‑水界面磷释放的有效阻控。并且本发明专利技术的材料取材廉价，社会经济效益好，安全性高，对湖泊水体没有生态风险，节能环保，在应用过程中对滇池不同湖区沉积物‑水界面磷释放控制效果显著。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法与应用，属于水环境污染控制领域。
技术介绍
近30多年来，由于社会经济的发展和人类活动的影响，大量的外源污染物进入湖泊并富集于沉积物中，使我国多数湖泊底质遭受严重污染。调查结果表明，许多湖泊尤其是城市湖泊的底质污染惊人，如太湖、滇池、巢湖等许多水域沉积物中总磷含量高达3000-4000mg/kg。沉积物不仅是地表水体污染物的重要归宿和蓄积库，而且还是上覆水污染的重要内源，这是因为沉积物与上覆水之间存在着沉降吸附和解吸释放的动态平衡过程，水体中的磷浓度很大程度上取决于这种动态平衡的移动，也就是说，沉积物磷迁移及释放取决于柱状沉积物垂直或水平方向上相邻两层之间间隙水的浓度梯度。在同一垂直剖面，当上层沉积物间隙水磷浓度高于下层时，沉积物中磷酸盐由高浓度区间向低浓度区间垂直扩散，形成了磷酸盐由表层沉积物向底层沉积物迁移的趋势。相反，当下层沉积物间隙水磷浓度高于上层时，磷酸盐则由底层沉积物向表层沉积物迁移。通常情况下，沉积物间隙水磷酸盐浓度高于上覆水磷酸盐浓度，一般认为，水体中磷的浓度达到0.02mg/L时便可能导致水体富营养化。因此，有效削减沉积物间隙水磷酸盐浓度，控制沉积物磷酸盐向上覆水扩散是富营养化湖泊内源释放控制的重要内容。对富营养化水质的改善及修复多集中于减少外源负荷，而沉积物中磷的释放即内源磷释放却会延缓或抵消上述措施的实际效应，所以在外部污染源得到有效控制的前提下，沉积物内源释放的研究成为治理水体污染的关键。原位覆盖技术是当前控制内源释放的有效措施之一，因其对内源污染控制效果好且对水体生态环境影响较小而受到了广泛关注。原位覆盖技术的核心是覆盖材料的选择，目前使用较多的覆盖材料有未污染的底泥、清洁河沙、砾石、钙质膨润土、灰渣、人工沸石、水泥，还有诸如方解石、粉煤灰、土工织物或一些复杂的人造地基材料等。例如，中国专利文献CN102775030A公开了一种以净水污泥作为覆盖材料的方法，该方法通过将脱水后的净水污泥干燥、碾碎、过筛，再于500-600℃的温度下灼烧，得到再生的净水污泥。该技术通过将再生的净水污泥覆盖在待修复水体的污染底泥上面，使得污染底泥与上覆水物理性隔开，一方面抑制了污染底泥内源污染向水体的释放，另一方面净水污泥中含有的以金属氧化物为主的无机颗粒物质还会对水体中的氮磷等污染物质产生吸收，加快了水体中的污染物质向底泥的迁移，在一定程度上能够实现对重污染河道的水体修复。但上述技术采用自来水厂的净水污泥作为覆盖材料，这一外源物的引入对水体而言存在一定的生态风险，并且由于水体中的磷酸盐浓度远小于净水污泥中的磷酸盐浓度，因而净水污泥中的磷酸盐必然还会向水体迁移，导致上述覆盖材料向其上覆水释放磷的通量大，因而该技术根本不可能有效去除水体中的磷，也即是，现有技术依然无法采用原位覆盖技术真正实现对受污染水体的修复，这对于本领域技术人员而言是一个亟待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术以净水污泥作为覆盖材料所存在的材料本身生态风险高、磷释放风险大等缺陷，进而提供一种取材廉价、安全性高、实用性强且对低浓度磷酸盐具有较强去除效果的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法与应用。为此，本专利技术实现上述目的技术方案为：一种沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，包括：(1)采集湖泊沉积物，经冷冻干燥，研磨过筛，得到沉积物粉体，备用；(2)取高岭土，经干燥、研磨过筛，得到高岭土粉体，备用；(3)将所述沉积物粉体和所述高岭土粉体混合均匀形成混合粉体，备用；(4)对所述混合粉体进行氧化处理，而后烘干，备用；(5)采用铁盐溶液对步骤(4)氧化后的混合粉体进行改性处理，而后烘干，备用；(6)将步骤(5)改性后的混合粉体加水浸润，而后挤压成型，成型材料经焙烧处理后即得沉积物-水界面磷释放控制材料。所述步骤(3)中，所述高岭土粉体的质量占所述混合粉体总质量的10％-90％，优选为40％-60％，更优选为50％。所述沉积物粉体和所述高岭土粉体的粒度均不小于100目。步骤(4)中采用5mol·L-1的HNO3水溶液对所述混合粉体进行氧化处理，所述HNO3水溶液与所述混合粉体的质量比为50:1。步骤(5)中所述的铁盐溶液为0.20mol·L-1的FeSO4水溶液，所述FeSO4水溶液与所述混合粉体的质量比为100:1。步骤(6)中，所述焙烧处理的温度为120-800℃，优选为120-700℃，更优选为700℃；所述焙烧处理的时间为0.5-3h，优选为1h。步骤(6)中，水的添加量占所述混合粉体质量的5-30wt％，优选为10wt％。所述沉积物-水界面磷释放控制材料为具有3-5mm粒径的颗粒。由上述制备方法制得的沉积物-水界面磷释放控制材料作为沉积物原位覆盖材料的用途。将所述沉积物-水界面磷释放控制材料铺设在受污染沉积物的表面，受污染水域表层沉积物总磷的含量每降低0.10mg/L所对应的每平方米所述受污染沉积物每年所需的所述沉积物-水界面磷负荷控制材料的投加量为0.23-19.71kg；所述受污染沉积物的间隙水中的磷酸盐浓度为0.02-1.0mg/L。本专利技术的上述技术方案具有以下优点：1、本专利技术所述的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，考虑到湖泊沉积物具有双重角色，它既是磷的“汇”又是磷的“源”，由于沉积物的源-汇转换过程难以控制，尤其当水体中的磷酸盐初始浓度较低时，沉积物会表现出对磷的“负吸附”现象，导致使用沉积物作为磷控释材料存在着材料自身所携带的磷酸盐会向上覆水溶出的风险，易于造成水体的二次污染，生态安全性较差，这也正是现有技术无法直接使用湖泊沉积物来制备磷控释材料的原因所在，而为了克服上述缺陷，本专利技术首次以沉积物与高岭土的混合物为基本原料，依次经氧化、铁盐改性和焙烧处理后，形成一种如图1所示的具有较低吸附-解吸平衡浓度(EPC0)和较高分配系数(Kd)的沉积物-水界面磷释放控制材料。研究证明，EPC0值与沉积物-水界面溶解性磷酸盐(SRP)含量的相对大小决定了磷酸盐的迁移方向，EPC0值越小，表明由材料向上覆水释放磷的通量也越小，而Kd值则反映了材料对磷酸盐的吸附强度和缓冲能力，Kd值越大，表明材料对磷酸盐的缓冲能力越强、吸附强度也越大，越不容易发生磷的解吸。由此可见，本专利技术所述的沉积物-水界面磷释放控制材料能够真正实现对沉积物-水界面磷释放的有效阻控，由此解决了现有技术中的覆盖材料因一味追求磷吸附量而忽视材料自身磷释放量大所导致的无法有效控制沉积物磷内源污染的问题。具体地讲，本专利技术所述的制备方法通过采用高岭土作为磷释放控制材料的原料之一，一方面可利用高岭土中高含量的氧化铝对磷酸盐的吸附量大、固定能力强的特性，大大降低了材料本身的吸附-解吸平衡浓度，提高了分配系数，从而有利于实现对湖泊沉积物间隙水中低浓度磷酸盐的去除及沉积物-水界面磷释放的有效控制；另一方面利用高岭土自身的粘结性以确保磷释放控制材料的成型；第三方面利用高岭土取材廉价、安全性高、实用性强的特点，可降低磷释放控制材料的生产成本和生态风险。另外，本专利技术所述的制备方法通过对混合原料进行氧化和改性处理，再配合高温焙烧，由此可大幅提高材料中活性铁氧化物的含量，以提升本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉积物‑水界面磷释放控制材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)采集湖泊沉积物，经冷冻干燥，研磨过筛，得到沉积物粉体，备用；(2)取高岭土，经干燥、研磨过筛，得到高岭土粉体，备用；(3)将所述沉积物粉体和所述高岭土粉体混合均匀形成混合粉体，备用；(4)对所述混合粉体进行氧化处理，而后烘干，备用；(5)采用铁盐溶液对步骤(4)氧化后的混合粉体进行改性处理，而后烘干，备用；(6)将步骤(5)改性后的混合粉体加水浸润，而后挤压成型，成型材料经焙烧处理后即得沉积物‑水界面磷释放控制材料。

【技术特征摘要】
1.一种沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)采集湖泊沉积物，经冷冻干燥，研磨过筛，得到沉积物粉体，备用；(2)取高岭土，经干燥、研磨过筛，得到高岭土粉体，备用；(3)将所述沉积物粉体和所述高岭土粉体混合均匀形成混合粉体，备用；(4)对所述混合粉体进行氧化处理，而后烘干，备用；(5)采用铁盐溶液对步骤(4)氧化后的混合粉体进行改性处理，而后烘干，备用；(6)将步骤(5)改性后的混合粉体加水浸润，而后挤压成型，成型材料经焙烧处理后即得沉积物-水界面磷释放控制材料。2.根据权利要求1所述的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述高岭土粉体的质量占所述混合粉体总质量的10％-90％，优选为40％-60％，更优选为50％。3.根据权利要求1或2所述的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，其特征在于，所述沉积物粉体和所述高岭土粉体的粒度均不小于100目。4.根据权利要求1-3任一项所述的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用5mol·L-1的HNO3水溶液对所述混合粉体进行氧化处理，所述HNO3水溶液与所述混合粉体的质量比为50:1。5.根据权利要求1-4任一项所述的沉积物-水界面磷释放控制材料的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦立新，王圣瑞，赵海超，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11