基于数值模拟的pH影响赤泥渗滤液中铜和镉化学形态研究

孟春晓 李 瑶 秦 燕*

(1. 四川省生态环境监测总站，成都 610091；2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756)

目前，用于模拟计算物质化学形态的软件主要有Visual MINTEQ、GWB、CHEMSPEC、PHREEQC和EQ3/6等[10]，其中Visual MINTEQ的数据库元素及其热力学数据较全、可视化程度较高、形态计算性能受到广泛认可。本研究采用Visual MINTEQ3.1对赤泥渗滤液中铜、镉的吸附和离子交换过程进行模拟，分析其化学形态的变化情况。

1 材料与方法

1.1 Visual MINTEQ简介

Visual MINTEQ是由美国国家环境保护局(EPA)开发，被广泛应用在模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子和矿物平衡情况的软件。Visual MINTEQ的理论基础是 W.L.Lindsay教授创立的土壤化学平衡理论[11]。该模型拥有强大的平衡常数数据库，涉及液相络合、溶解/沉淀、氧化/还原、气-液相平衡、吸附等多种平衡反应。模型将水溶液中的化学物质分为组分和物种，物种是由组分通过化学反应生成，因此，每一种化学物质均可用组分来表示，对于n个化学物质可用输入m个基本组分来表示，其反应平衡常数包含在模型数据库中。Visual MINTEQ可对不同表面吸附反应进行数值模拟，通过平衡常数、吉布斯自由能等热力学数据计算化学物质的相互作用，模拟吸附平衡溶液中的离子和矿物平衡情况，以及通过质量作用表达式来判断化学物质的形态分布，预测金属的吸附和金属有机络合物的形成。袁建民[12]的研究表明，粘土矿物对重金属离子吸附符合Freundlich吸附模型。因此本研究采用等温吸附模型中的Freundlich方程对赤泥渗滤液渗透压实粘土衬垫的吸附过程进行模拟分析。

1.2 赤泥渗滤液水样分析

本研究所用的赤泥渗滤液取自国内某一拜耳法赤泥堆场，测得该渗滤液pH为12.6，呈强碱性；电导率EC为27.6mS/cm；ORP为-72.0mV，表明该渗滤液有较强还原性。该渗滤液的化学组成见表1。

表1 赤泥渗滤液的化学组成

可以看出，该赤泥渗滤液中含有较高的Al、Na、K、Fe、Cu等，这是由于赤泥主要由氧化铝、硅酸盐和铁等组成，并含有大量重金属元素[13-14]。在赤泥堆存过程中，这些元素随水迁移进入到渗滤液中，使渗滤液中pH、重金属离子、盐分都增加。

2 结果与讨论

2.1 模型参数设置

由于赤泥渗滤液为强碱性，因此本研究主要模拟初始pH、中和及酸化后的赤泥渗滤液中铜和镉的吸附和离子交换行为，探究在不同pH下铜和镉的化学形态变化。Visual MINTEQ数值模拟的基本参数设置见表2。

表2 Visual MINTEQ基本参数

2.2 赤泥渗滤液中Cu和Cd的化学形态

赤泥渗滤液在渗透过程达到吸附平衡时，Cu2+和Cd2+在粘土矿物表面发生吸附和离子交换，进行配位反应，生成不同形态的配位化合物。在Visual MINTEQ软件中选取Freundlich方程对Cu和Cd的吸附过程进行分析，分别得到吸附平衡时不同pH下，赤泥渗滤液中Cu2+和Cd2+及其各种化合物的浓度，结果分别如表3和表4所示。

表3 不同pH下吸附平衡时Cu的化学形态及其浓度 单位：μmol/L

表4 不同pH下吸附平衡时Cd的化学形态及其浓度 单位：μmol/L

图1 不同pH下吸附平衡时Cu的形态分布

图2 不同pH下吸附平衡时Cd的形态分布

2.3 溶液pH对Cu和Cd化学形态分布的影响

3 结论