水热转化土壤为沸石及其结构化固定土壤重金属

In the process of urbanization, there occurred many polluted sites in cities, which urgently need the technologies for short-term and high-stability treatments; however, the effective technologies for the treatments are still not found. According to the evolution between the soil and minerals in nature, this project proposes a novel idea, i.e., realize the rapid circulation of silicon and aluminum in nature and hydrothermally convert contaminated soils into minerals rapidly and in turn immobilize the heavy metals of the soil stably in the structures of these synthetic minerals simultaneously. To realize the idea, the study include several contents as follow: First, hydrothermal synthesis of chemicals as the target zeolite, so as to obtain a precise microstructure and immobilization of heavy metals studies; then hydrothermal conversion of the soil into the target zeolite, to study the mechanism and leaching characteristics of zeolites-heavy metals system. The following scientific problems are therefore expected to be solved: the condition and mechanism of selectivity of hydrothermal zeolite synthesis; the competitive and selective immobilization/adsorption features and mechanisms in multi-zeolites and/or heavy metals system; the influence of synthesized zeolites, synthesis conditions, immobilized heavy metal and environmental conditions on heavy metal leaching. The method possesses the advantages of low processing temperature, short treatment period; good immobilized stability and can be designed as a mobile repair device also. It is such a new method that has capabilities of enhancing the self-purification capacity of soil and making heavy metals back to nature.

我国在城镇化进程中产生了很多城市污染场地，急需周期短和稳定性高的治理技术，但目前行之有效的技术仍然短缺。依据自然界土壤与矿物的地质演变关系，本项目提出充分利用自然界硅和铝元素的循环、水热快速原位合成土壤为沸石的新思维，以期实现稳定固定土壤重金属在沸石结构中的土壤治理新方法。为此，主要进行如下研究：首先水热合成化学药品为目标沸石，以便进行精密的微观结构和重金属固定的研究；然后水热转变土壤为目标沸石，研究沸石固定重金属的特性机理以及重金属的浸出特性。以期解决下列科学问题：水热选择性合成目标沸石的条件与机理；多种沸石固定多种重金属的体系中，沸石竞争及选择性固定重金属的特性及机理；沸石种类、合成条件、重金属性质、外界环境等对土壤重金属浸出的影响。该方法处理温度低、治理周期短、固定稳定性好、并可设计为移动式修复设备，属一种既能增强土壤自净化力，又能让重金属回归大自然的治理修复新方法。

重金属污染场地的修复治理是我国当前亟待解决的问题，然而现有土壤修复技术无法满足我国复杂的城市污染场地修复/治理需求。因此，迫切需要发展快速、高效、稳定、环境友好的新型污染场地修复/治理技术。本项目依据自然界元素循环机制，模拟地下成岩成矿机理，提出了水热快速溶解/重构重金属污染土壤硅铝质为硅酸铝质环境矿物（沸石）及其原位结构化固定污染重金属的新方法。.本项目首先选取化学试剂作为模拟土壤水热合成目标沸石，探明了不同类型沸石（方沸石、钙霞石，P型沸石及多沸石体）的最优合成条件与转化机理，确认了自然界硅/铝元素快速循环再利用的可行性与高效性，即，调整铝硅比＜0.6时产物主要为方沸石（ANA）；铝硅比＞1.0时为钙霞石（CAN）；铝硅比=0.6~1.0时为方沸石和钙霞石共存的多沸石体（A&C）。并进一步研究了多类型沸石固定多类型重金属（Cr3+、Zn2+、Cd2+）的微观结构变化及其选择/竞争性固定机理。.然后选取实际污染土壤水热转化合成目标沸石，研究了不同类型沸石的水热合成与转化机理，验证了将真实土壤水热转化为沸石产物的过程与模拟土壤水热合成过程具有相似性，探明了沸石原位结构化固定重金属的特性与条件，以及多种重金属共存条件下多种沸石对重金属的竞争固定/选择固定机理。即，方沸石和钙霞石能够对不同重金属产生选择性的结构化固定效果：小尺寸重金属离子（Cr3+、Zn2+）会择优地被其中方沸石六员环孔道结构化固定；而大尺寸重金属离子（Cd2+）则会被其中钙霞石的大尺寸十二员环孔道结构化固定。.最后研究了水热转化真实土壤为沸石原位结构化固定重金属的稳定性，研究其重金属浸出特性与机理，结果表明水热处理后重金属被合成沸石原位结构化固定，重金属浸出率可大大降低至处理前的数十至数百分之一，保证了水热转变土壤为目标沸石结构化固定重金属对减少土壤重金属浸出的安全有效性。本项目关键技术成果将为城市重金属污染场地的快速原位水热治理新技术提供理论依据和技术支撑。