長期凍融作用下固化重金屬污染土工程特性演化及機理 楊忠平 9787030764904 【台灣高等教育出版社】

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岩土工程

目錄

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前言
第1章 緒論 1
1 1 土壤重金屬污染 1
1 1 1 概述 1
1 1 2 土壤重金屬來源 2
1 1 3 重金屬與土壤的相互作用 2
1 2 我國土壤重金屬污染現狀及趨勢 5
1 2 1 土壤重金屬污染現狀概況 5
1 2 2 土壤重金屬污染總體格局及趨勢 6
1 2 3 土壤重金屬污染趨勢變化驅動力 10
1 3 重金屬污染土修復技術 17
1 3 1 污染土壤修復技術研究及應用 17
1 3 2 固化/穩定化修復技術 23
第2章 研究試驗材料與方法 31
2 1 固化/穩定化重金屬污染土製備 31
2 1 1 試驗用土 31
2 1 2 重金屬污染物 32
2 1 3 固化劑 33
2 1 4 重金屬污染土製備及陳化 34
2 1 5 試樣製備及養護 34
2 2 凍融環境模擬 35
第3章 常溫環境下固化/穩定化重金屬污染土工程特性及其影響因素 37
3 1 固化劑摻量對固化/穩定化重金屬污染土工程特性的影響 37
3 1 1 單軸壓縮特性 37
3 1 2 剪切特性 39
3 2 污染水平對固化/穩定化重金屬污染土工程特性的影響 41
3 2 1 單軸壓縮特性 41
3 2 2 剪切特性 44
第4章 凍融環境下固化/穩定化重金屬污染土工程特性及其影響因素 46
4 1 凍融溫度對固化/穩定化重金屬污染土工程特性的影響 46
4 1 1 單軸壓縮特性 46
4 1 2 剪切特性 49
4 2 凍融次數對固化/穩定化重金屬污染土工程特性的影響 52
4 2 1 單軸壓縮特性 52
4 2 2 剪切特性 57
第5章 凍融環境下固化/穩定化重金屬污染土複配固化劑較優配比研究 61
5 1 單一固化劑固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 61
5 1 1 未固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 61
5 1 2 水泥固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 64
5 1 3 石灰固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 67
5 1 4 粉煤灰固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 69
5 2 複配固化劑較優配比 72
5 2 1 研究方法 73
5 2 2 單軸抗壓強度較優配比 75
5 2 3 抗剪強度指標較優配比 78
5 2 4 變形特性較優配比 85
5 2 5 滲透性較優配比 88
5 2 6 多工程特性指標同時較優配比 91
第6章 長期凍融環境下複配固化/穩定化重金屬污染土工程特性演化 92
6 1 複配固化/穩定化鉛污染土工程特性演化 92
6 1 1 單軸壓縮特性 92
6 1 2 剪切特性 96
6 1 3 滲透特性 101
6 2 複配固化/穩定化鉛-鋅-鎘複合污染土工程特性演化 103
6 2 1 三軸壓縮特性 103
6 2 2 剪切特性 109
第7章 長期凍融環境下複配固化/穩定化重金屬污染土環境行為演化 111
7 1 研究方法 111
7 1 1 毒性特徵浸出試驗 111
7 1 2 半動態淋濾試驗 112
7 1 3 示蹤溶質土柱淋溶試驗 114
7 1 4 重金屬賦存形態分析試驗 116
7 2 複配固化/穩定化鉛污染土環境行為演化 118
7 2 1 毒性浸出特徵 118
7 2 2 半動態淋濾特徵 123
7 2 3 重金屬賦存形態特徵 129
7 3 複配固化/穩定化鉛-鋅-鎘複合污染土環境行為演化 130
7 3 1 毒性浸出特徵 130
7 3 2 溶質運移特徵 136
7 3 3 重金屬賦存形態特徵 137
第8章 長期凍融環境下固化/穩定化重金屬污染土工程特性與環境行為演化機理 142
8 1 基於CT圖像三維重構的土體細觀結構分析 142
8 1 1 CT圖像三維重構 142
8 1 2 單一固化劑固化/穩定化重金屬污染土細觀孔隙特徵 143
8 1 3 長期凍融作用下複配固化/穩定化重金屬污染土細觀孔隙特徵 144
8 2 基於SEM圖像的土體微觀結構分析 146
8 2 1 SEM圖像數值化 146
8 2 2 單一固化劑固化/穩定化重金屬污染土微觀結構特徵 147
8 2 3 污染水平對固化/穩定化重金屬污染土微觀結構的影響 150
8 2 4 長期凍融作用下複配固化/穩定化重金屬污染土微觀結構特徵 152
8 3 基於XRD的物相組成分析 159
8 4 基於SEM-EDS的典型元素分佈分析 159
8 5 基於FTIR的組成物質基團結構分析 164
8 5 1 FTIR圖譜解析方法 164
8 5 2 複配固化/穩定化重金屬污染土分子基團結構變化特徵 166
參考文獻 169
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精彩書摘
第1章 緒論
1 1 土壤重金屬污染
1 1 1 概述
土壤重金屬污染是指各種來源的重金屬污染物通過多途徑進入土壤，其累積量超過土壤環境背景值，累積速度超過土壤自潔能力，破壞土壤基本結構，改變土壤質量和功能，導致土壤退化，危害生態環境和人體健康的現象(Sun et al ， 2019)。重金屬通常指密度大於4 5g/cm3的約45種(類)金屬元素，在環境科學研究中主要包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、砷(As，類金屬)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等具有顯著生物毒性的元素，其中前五種元素因其生物毒性尤為強烈而被稱為”五毒元素”。
土壤重金屬污染具有強烈毒性、污染隱蔽性、持久性和不可逆性，自然源和人為源釋放的重金屬在土壤中大量積累，對生態環境乃至經濟社會發展都帶來了嚴重危害(Hou et al ， 2013)。一方面，人類會因直接接觸、手口攝入和吸入受污染的土壤或其產生的大氣塵埃等而受到*明顯、*直接的健康危害(劉靜等， 2018; Yang et al ， 2015)。例如，低水平的Pb暴露對參與血液生產的?系統有不利影響，高水平的Pb暴露甚至會影響人的智力(Poggio et al ， 2009)。特別地，兒童由於頻繁的手口行為和尚不完整的免疫系統往往面臨著更大的健康威脅(Lu et al ， 2007; Davis et al ， 1990)。並且，由於生態圈之間的緊密聯繫，重金屬污染土會對整個生態系統造成廣泛而持久的次生危害，被污染的動植物*終會通過食物鏈對人類自身構成健康風險(Cheng et al ， 2019)。另一方面，高濃度重金屬累積導致土壤質量、生物功能明顯退化，威脅糧食安全，造成糧食減產，導致經濟損失；顯著改變土壤的理化性質，造成土體孔隙度增大、壓縮性增強、強度降低等，影響工程建設安全(程峰， 2014; 朱春鵬和劉漢龍， 2007)。
1 1 2 土壤重金屬來源
土壤作為連接多個圈層的樞紐，是一個開放的系統，土壤重金屬污染物來源也是多途徑的，包括自然來源與人類來源。自然來源的重金屬是指風化形成土壤的母岩母質中本身就含有的重金屬，其種類和含量受母質種類及其形成過程控制。人類來源的重金屬則是指各種各樣的人類生產生活活動排放到自然界中並最終在土壤中累積下來的重金屬，是造成土壤重金屬污染的主要因素，主要包括：工業污染源，如採礦、工業”三廢”排放(Wang et al ， 2018)；農業污染源，如用含重金屬的污水灌溉、固廢的農業利用、農藥和化肥等農用化學品的大量使用等(Wei and Yang， 2010)；生活污染源，如城市生活污水和醫療廢液排放、生活垃圾堆放、廢棄電子產品等；公路交通污染源，如金屬機械磨損、尾氣排放等(Duan et al ， 2016; Cheng et al ， 2014; He et al ， 2013)。工礦企業排放等工業污染源易造成嚴重的局部性污染；廣泛的農業生產活動以及便於通過大氣擴散的交通污染源傾向於引發較大範圍的區域性污染。土壤重金屬污染往往是多種重金屬同時存在所引起的複合污染，尤其是在如工業污染場地等受人類活動深刻影響的地區。此外，土壤中重金屬的具體來源是十分複雜、難以準確確定的，但不同重金屬的主控來源顯示出一定規律性的差異，例如，已有研究普遍認為土壤中Cr和Ni的主要來源受控于形成土壤的母質，而Hg、Cd、Pb、As、Cu、Zn主要來源於人為源。值得注意的是，隨著人類活動的加劇，人為來源的土壤重金屬逐漸成為土壤中包括原來受自然來源控制在內的各種重金屬元素的主控來源(Jiang et al ， 2019)。
1 1 3 重金屬與土壤的相互作用
土壤環境中的複合反應、氧化還原反應(生物和非生物)、無機和有機質吸附、微生物的吸附/解吸反應等影響著土壤中重金屬污染物的毒性、遷移性、生物可利用性和賦存形態轉化等。土壤中重金屬的賦存形態主要有七種(劉晶晶， 2014)，如圖1 1所示。
圖1 1 土壤中重金屬賦存形態
重金屬污染物之所以能夠在污染土壤中長時間滯留而不發生遷移與賦存形態的轉化，主要是因為重金屬-土壤體系會發生以下四種相互作用(何振立， 1998; Yong et al ， 1992)：
(1)吸附/解吸作用。吸附作用能夠決定動植物養分、殺蟲劑、金屬以及其他有機化學物質在土壤中的保留數量，是影響存在於土壤中的養分和有害污染物遷移和擴散的主要過程之一。吸附作用一般可分為表面吸附和專性吸附(吳旦， 2006)，表面吸附屬?物理吸附，其作用大小與土壤膠體的比表面能、比表面積的大小正相關。而金屬陽離子容易結合土壤中的表面氧原子，形成相對穩定的羥基絡合物，所以土中的水合氧化物膠體就表現出對重金屬離子具有專一的、強烈的吸附作用，很難被解吸下來，該作用稱為專性吸附作用。金屬陽離子的吸附特性受環境pH、離子含量、表面覆蓋度和吸附劑的類型等因素影響(Sparks， 2003)。
離子吸附是離子從孔隙溶液向土壤膠體轉移的過程；相反，離子解吸就是原本吸附在土壤膠體上的離子由於離子交換反應被某些離子置換下來向孔隙溶液轉移的過程。該過程受到許多因素的影響，如pH、吸附劑的性質、有機和無機配體的存在和離子含量等。
(2)沉澱反應。形成沉澱是重金屬在環境中被固定下來的重要方式，例如，已有研究表明，形成混合金屬氫氧化物表面沉澱物是環境系統中重金屬潛在的重要吸收途徑(Peltier et al ， 2010; Scheckel and Sparks， 2001)。大部分金屬都可以在金屬氧化物、層狀硅酸鹽、土壤黏土礦物上形成三維金屬氫氧化物以及金屬鋁混合表面沉澱物，這也是金屬不太容易浸出，以及不容易被植物和微生物吸收的原因(Sparks， 2009)。形成碳酸鹽也是重金屬沉澱的重要形式，但其在酸性環境下可轉化為可交換狀態。
(3)絡合反應。金屬陽離子(如Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+等)與無機配位體分子或離子(如NO3、OH、Cl、和等)的反應被定義為絡合反應，可以與無機配位體發生反應的金屬陽離子包括過渡金屬陽離子和鹼金屬陽離子。根據宏觀和分子尺度的研究可以推測：內層絡合物主要是由二價重金屬陽離子(如Cd2+、Hg2+和Pb2+)或二價的第一行過渡金屬陽離子(如Co2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+和Ni2+)與無機配位體的絡合反應生成，而外層絡合物一般由鹼土金屬陽離子(如Ba2+、Mg2+、Ca2+和Sr2+)與無機配位體的絡合反應生成(Sparks， 2005)。
(4)氧化還原反應。土壤化學反應通常涉及質子和電子轉移的多種結合，若在轉移過程中失去電子，則會發生氧化反應，而若在轉移過程中得到電子，則會發生還原反應。氧化的組分或氧化劑是電子受體，而還原的組分或還原劑是電子供體。由於電子在土壤溶液中不是自由的，發生氧化還原反應時氧化劑必須與還原劑緊密接觸，所以必須同時考慮氧化和還原，才可以完整地描述氧化還原反應。氧化還原反應會影響金屬在土壤中的賦存形態，特別是與氧化物有關的賦存形態(如鐵錳氧化物結合態)，間接對其生物有效性、浸出性和毒性造成影響(Borch et al ， 2010)。例如，將有機質加入土壤時，土壤氧化還原電位會因為耗氧分解而下降，從而可以促進高價鉻(Cr6+)還原成毒性較小的低價鉻(Cr3+)，並生成能夠在土壤中穩定存在的沉澱(van