岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (10): 2841-2851.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1827

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砷、镉复合重金属污染土土−水特性及 微观机制研究

刘金都1, 2, 3,冯晨1, 2, 3,李江山1, 2,汪凯凯1   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071; 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 污染泥土科学与工程湖北省重点实验室,湖北 武汉 430071;3. 中国科学院大学,北京 100049
  • 收稿日期:2021-12-06 修回日期:2022-06-16 出版日期:2022-10-19 发布日期:2022-10-18
  • 通讯作者: 李江山,男,1987年生,博士,研究员,博士生导师,主要从事污染场地工程修复和固废资源化方面的研究。E-mail: jsli@whrsm.ac.cn E-mail: liujindu21@mails.ucas.ac.cn
  • 作者简介:刘金都,男,2000年生,硕士研究生,主要从事污染土力学性质方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 42177163,No. 42107185,No. 51979267)。

Soil-water characteristic and microscopic mechanism of arsenic and cadmium composite heavy metal contaminated soil

LIU Jin-du1, 2, 3, FENG Chen1, 2, 3, LI Jiang-shan1, 2, WANG Kai-kai1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. Hubei Province Key Laboratory of Contaminated Sludge and Soil Science and Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2021-12-06 Revised:2022-06-16 Online:2022-10-19 Published:2022-10-18
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42177163, 42107185, 51979267).

摘要: 为探究重金属砷(As)污染土、镉(Cd)污染土及二者复合污染土的土−水特性及微观机制,利用离心机法研究了污染土土−水特征曲线变化规律,通过Zeta电位、核磁共振试验(NMR)以及扫描电子显微镜(SEM)等微观表征手段,得到了污染土微观特征变化规律。试验结果表明:As污染土、Cd污染土以及复合污染土微观特征与宏观土−水特性存在关联联系,即土颗粒扩散双电层厚度越薄,土壤持水能力减弱、Zeta 电位绝对值越低、大团聚体对应的大孔隙越多、基质吸力进气值越小,反之则相反。污染土种类、浓度影响土壤−重金属相互作用行为,导致污染土微观特征及土−水特性变化。As 污染土浓度增大,主导作用由钠离子静电吸附作用逐渐转变为砷酸根专性吸附作用,扩散双电层厚度先减小后增大;Cd 污染土浓度增大,主导作用由碳酸镉晶体沉淀作用转变为镉离子静电作用,二者均压缩双电层但前者压缩效果更显著;复合污染土中主导作用为镉离子静电作用及砷酸根离子专性吸附作用,二者对扩散双电层厚度影响相反。

关键词: 复合污染土, 土?水特征曲线, 微观特征, 扩散双电层, 土壤?重金属相互作用

Abstract: The soil-water characteristic and microscopic mechanism of heavy metals arsenic, cadmium and their composite contaminated soils were studied in this paper. The evolution law of soil-water characteristic curves of contaminated soils was investigated by using centrifuge method, and the microscopic characteristics of contaminated soils was determined by using Zeta potential, NMR and SEM tests. The experimental results show that there is a link between microscopic characteristics and macroscopic soil-water characteristics of the contaminated soils, that is to say the thinner the thickness of the diffused double layer of soil particles, the weaker the water holding capacity of soil, the lower the absolute value of Zeta potential, the larger pores corresponding to large agglomerates, the smaller the air entry value of matrix suction, otherwise the opposite. The type and concentration of heavy metals affect the soil-heavy metal interaction, leading to changes in microscopic characteristics and soil-water characteristics of contaminated soils. When the concentration of arsenic in contaminated soils increases, the dominant reaction changes from electrostatic adsorption of sodium ion to specific adsorption of arsenate, leading to the thickness of the diffused double layer first decrease and then increase. When the concentration of cadmium in contaminated soil increases, the dominant effect changes from crystal precipitation of cadmium carbonate to electrostatic adsorption of cadmium ion, both of which compress the double electric layer but the former is more significant. The dominant role in the composite contaminated soil is the electrostatic effect of cadmium ions and the specialized adsorption of arsenate ions, which have an opposite effect on the thickness of the diffused double layer.

Key words: composite contaminated soil, soil-water characteristic curve, microscopic characteristics, diffused double layer, soil-heavy metal interaction

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