载木质素铁PE薄膜的绿色构建及其对土壤中砷的修复机理研究

Iron-containing materials have been promising for remediation of arsenic-contaminated soil, with the advantages of higher efficiency and longer persistence for arsenic immobilization. But for traditional iron-containing materials, it’s difficult to separate the exhausted materials from the soil and it’s very possible to have the higher risk of secondary pollution. In view of these limitation and shortcomings, this project will use waste liquid from pulping and papermaking, and polyethylene(PE) film, commonly used in agriculture, as raw materials. Sodium lignosulfonate, obtained from the waste liquid, will reacted with iron ion to form iron lignosulfonate, and then iron lignosulfonate will be loaded on PE film. It is to make full use of sulfonic, carboxyl, hydroxyl groups and other functional groups on iron lignosulfonate, to load the iron lignosulfonate on PE film, to improve the loading capacity and binding degree of iron lignosulfonate on PE film, so that to prepare iron lignin -PE film in an environmental-friendly way. This project will further study the remediation mechanism of iron lignin - PE film for arsenic in soil, reveal the connection between materials, soil conditions and pollutants, and establish a new method for remediation of soil pollution using composite polymers. The project will supply a new and theoretical basis for the development of efficient, non-secondary pollution, recyclable materials and methods for the remediation of soil arsenic pollution.

含铁材料是理想的砷污染土壤修复材料，具有效率高、固砷持久等优势，但是传统含铁材料使用后难分离、二次污染的风险大。针对这些局限和不足，本项目拟利用制浆造纸废液和农业中常用的PE薄膜为原材料，从造纸废液中提取木质素磺酸钠，与铁离子形成木质素铁，将木质素铁负载在PE薄膜上，充分利用木质素铁上磺酸基、羧基、羟基等活性官能团，提高木质素铁在PE薄膜上的负载量和官能团结合度，绿色构建木质素铁-PE薄膜材料；进一步研究载木质素铁PE薄膜对土壤中砷的作用机理，揭示材料-土壤环境条件-污染物存在状态之间的关系，建立复合高分子材料用于土壤砷污染修复的新方法，为开发高效、无二次污染、可回收的土壤砷污染修复材料和方法提供新思路和理论依据。

砷-铁间较强亲和力使含铁材料修复砷污染土壤性能优良。围绕本项目关键科学问题，研究含铁薄膜制备及其对含砷土壤的修复性能。将木质素磺酸钠与三价铁离子溶液反应生成木质素铁，通过氯化原位接枝或碱处理，将木质素铁负载在聚乙烯（PE）薄膜上，制成载木质素铁PE薄膜（Pe-FeLs）。FT-IR、FESEM等表明Pe-FeLs含木质素铁特征官能团；外观、微观形貌和机械强度良好。根据土壤结构特点建成Pe-FeLs应用装置，保持土壤含水率55-65wt%，盆栽实验研究对含砷（主要为无机砷）土壤的修复性能。结果表明，当土壤总砷浓度分别为119、80、60和20mg/kg时，与对照组相比，使用Pe-FeLs应用装置：（1）对土壤pH值无显著影响；（2）土壤总砷含量可降低25.5~53.4%；（3）As（III）是主要存在形态；（4）土壤中油麦菜生物量、根和叶干重都有显著增加，根叶中总砷含量降低、砷吸收相应降低；更换新Pe-FeLs后，叶中总砷含量<0.50 mg/kg，可达国标对叶菜中总砷含量限值；（5）使用后装置可从土壤中取出；FESEM单元素扫描使用后Pe-FeLs测到砷元素；在使用后Pe-FeLs消解液中，ICP-OES测到砷离子浓度；表明该方法能够将砷从土壤中移除；（6）吸附在土壤中铁（氢）氧化物上或与其结合的砷离子浓度降低；由于腐殖酸（HA）与砷离子竞争吸附位点或生成HA-Fe-As复合物，较低浓度HA降低了Pe-FeLs对砷的吸附作用，而较高浓度HA使HA能与Pe-FeLs充分接触以形成HA-Fe复合物从而促进砷吸附在Pe-FeLs上；HA使土壤As（III）量增加，毒性更大的As（III）对土壤微生物群落产生负面影响，而Pe-FeLs主要与As(III)作用，且HA和Pe-FeLs都是富C基质，因此HA存在下，使用Pe-FeLs对土壤呼吸强度、生化性能影响更显著，证明了HA共存、砷转化、铁改性和富含C的修复材料与土壤功能间存在密切关系。基于此，本项目还拓展研究内容，制成载铁农用残膜并初步探讨其对黄金冶炼废水中砷的去除及工程应用性能评价。因此本项目探明Pe-FeLs修复土壤砷的效果、机理、可回收性、对土壤功能的影响，建立化学改性薄膜修复土壤砷污染的新方法；同时初步形成安全再利用农用残膜的新方法，增强了本项目研究成果的实用性。