一种固废堆场复合金属离子控制方法

本发明涉及一种固废堆场复合金属离子控制方法，属于固废堆场金属污染治理领域。

背景技术：

1、有色金属冶炼及尾矿堆存造成周边地表水、地下水金属污染，如铜冶炼与铜渣堆放产生 pb2+、as3+、zn2+、cu2+的排放及水体污染，锌的冶炼与锌渣堆放产生pb2+、as3+、zn2+、cu2+、 in2+、cd2+的排放及水体污染，此外煤矿开采及矿坑降雨、尾矿、飞灰、矸石及炉渣堆浸亦 会使得有害金属组分进入水体，如煤矸石堆积，形成cu2+、zn2+、pb2+、cr6+/cr3+、cd2+、ni2+、mn2+、as3+及hg2+复合金属离子的渗滤液，严重制约着矿山绿色开采建设事业发展，给周边生态环境及居民健康带来极大的安全隐患。

2、渗透性反应屏障(prb)具有操作灵活、污染物截留效率高的优势，被广泛用于地表水、 地下水、堆浸渗滤液中重金属离子的截留去除，如纳米零价铁、羟基磷灰石、高岭土、燃煤电厂灰渣等填料，被广泛地使用于prb体系用于水体放射性及重金属离子去除的科学研究与工程化应用。但金属离子饱和吸附容量低、选择吸附性能差及填充材料的溶解损耗制约着prb工艺的进一步推广应用。与此同时，针对环境地球化学特性差异显著的多种复合重金属离子的同步截留治理技术与体系的构建方法，尚未见报道。

3、专性、高效吸附材料是prb体系高性能稳定运行的保障，而具有比表面积大、活性位点 丰富的纳米材料可为prb体系的开发利用提供潜在技术支撑。受限于纳米颗粒合成制备成 本高、易流失、专性吸附性能差的问题，纳米材料在prb体系的成功实施案例较少。如何 提高纳米材料专性吸附性能与饱和吸附容量、降低制备成本及其稳定性，是亟待解决的科 研与工程技术难题。

技术实现思路

1、技术问题：本发明针对现有存在的技术问题，提出了一种固废堆场复合金属离子控制 方法，能够实现有害金属的稳定、高效截留去除，成本低，制备工艺过程简单、产品稳定 性强、操作灵活、绿色环保，对各类煤矿及有色金属冶炼、堆浸过程产生的复合金属离子水污染控制有较强的技术指导与实际工程应用意义。

2、技术方案：为了达到上述目的，本发明的一种固废堆场复合金属离子控制方法，针对 设置在地表的煤与各类金属矿开采过程产生的固废堆场，使用纳米基材料填充的渗透性反 应屏障实现水体中复合重金属的分类管控；

3、在固废堆场周围构建能够吸附渗流液中有害物质的渗透吸附墙，渗透吸附墙顶部高于 固废堆场顶部；若固废堆场依靠山体设置则只需要在固废堆场没有被山体包围的外侧面构 筑渗透吸附墙，若固废堆场下方存在地下水，则构筑的渗透吸附墙需要向地下延伸直至地 下隔水层，以防止固废堆场的渗滤液随地下水流出；

4、所述渗透吸附墙为分级多层渗透性反应屏障填充压实构成，其包括设置在最内外两层 的固有土层，两层固有土层之间顺序设有固有土层与凹土混合层、固有土层与凹土@二氧化 锰混合层、固有土层与凹土@硫化铜混合层；固有土层、固有土层与凹土混合层、固有土层 与凹土@二氧化锰混合层、固有土层与凹土@硫化铜混合层的厚度据堆场金属离子总量和吸 附剂的饱和吸附容量确定，凹土、二氧化锰以及硫化铜的用量也根据预先采样测量获得固 废堆场的重金属含量调节；

5、其中凹土层混合层、凹土@二氧化锰混合层以及凹土@硫化铜混合层通过凹土为基底搭 载易于制取mno2、cuxs纳米颗粒，凹土层混合层实现cu2+、zn2+、pb2+、cr6+/cr3+、cd2+、ni2+及mn2+金属离子的高效吸附截留，凹土@二氧化锰混合层实现as3+金属离子的高效吸附截留， 凹土@硫化铜混合层实现hg2+金属离子的高效吸附截留，实现水体复合重金属离子治理的分 级管控。

6、进一步，固有土层、固有土层与凹土混合层、固有土层与凹土@二氧化锰混合层、固有 土层与凹土@硫化铜混合层构筑渗透吸附墙只需要压实即可，压实密度为：2.0～3.0g/cm3。

7、进一步，凹土@二氧化锰中的凹土与二氧化锰的质量比为：(10～1):1。

8、进一步，每千克凹土@二氧化锰的制备步骤如下：

9、按照凹土和生成二氧化锰质量比的不同，将145.6g～364g质量的高锰酸钾固体颗粒溶 解于1500ml去离子水中，在后再向溶解了高锰酸钾溶液中加入900g～500g的凹土，对加 入凹土的高锰酸钾溶液充分搅拌后进行40min的超声处理，使加入的凹土充分吸附锰离子；

10、称取98％浓度的263g～658g的硫酸锰mnso4溶解于2l去离子水中获得硫酸锰溶液，然 后采用漏斗向加入了凹土的高锰酸钾溶液中滴加硫酸锰溶液，滴加的同时进行10r/min搅 拌并继续进行油浴加热至150℃，直至所有硫酸锰溶液滴加完成，继续反应2.0h，将溶 液冷却至室温后进行抽滤分离，对分离出的固体部分使用去离子水和无水乙醇交替洗涤3 次；

11、将洗涤后的固体用真空泵抽滤在0.22μm的水系滤膜上并使用60℃的烘箱中烘干，得到的凹土@二氧化锰mno2。

12、进一步，凹土@硫化铜中的凹土与硫化铜的质量比为：(10～1):1

13、进一步，每千克凹土@硫化铜的制备步骤如下：

14、按照凹土和生成硫化铜质量比的不同，将112.5g～281.25g质量的氯化铜固体颗粒溶解 于1000ml去离子水中获得氯化铜溶液，向氯化铜溶液中加入900g～500g的凹土，对加入 了凹土的高锰酸钾溶液充分搅拌后进行40min的超声处理，使加入的凹土充分吸附铜离子；

15、量取浓度为20～24％的硫化铵(nh4)2s溶液101.2～404.8ml，采用漏斗逐滴将硫化铵溶 液边搅拌边向加入了凹土的氯化铜溶液中滴加，直至滴加完成，继续反应2.0h；之后对持 续搅拌后的溶液使用0.22μm的水系滤膜进行真空泵抽滤，结束真空泵抽滤后放入40℃的 烘箱中烘干，烘干后的材料即为制备的凹土@硫化铜cuxs。

16、有益效果：

17、本方法针对有色金属冶炼及各类尾矿堆存造成的周边地表水、地下水复合金属污染，开 发纳米基材料填充的渗透性反应屏障实现水体中复合重金属的分类管控，以廉价易得的凹 土为基底搭载易于制取mno2、cuxs纳米颗粒，通过渗透性反应屏障的分级填充，分别实现 cu2+、zn2+、pb2+、cr6+/cr3+、cd2+、ni2+及mn2+金属离子，与as3+、hg2+金属离子的高效截留。提出水体复合重金属离子治理的分级管控新方法，并采用凹土复合mno2、cuxs纳米颗粒材料专性吸附水体as3+、hg2+金属离子，材料制备简便、成本低。复合重金属污染水体处理过程工序创新性强，金属截留和分离效率高，运行成本低，具有显著的科研创新性和工程可行性。

技术特征：

1.一种固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于：针对设置在地表的煤与各类金属矿开采过程产生的固废堆场，使用纳米基材料填充的渗透性反应屏障实现水体中复合重金属的分类管控；

2.根据权利要求1所述固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于：固有土层、固有土层与凹土混合层、固有土层与凹土@二氧化锰混合层、固有土层与凹土@硫化铜混合层构筑渗透吸附墙只需要压实即可，压实密度为：2.0～3.0g/cm3。

3.根据权利要求1所述固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于：凹土@二氧化锰中的凹土与二氧化锰的质量比为：(10～1):1。

4.根据权利要求1所述固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于，每千克凹土@二氧化锰的制备步骤如下：

5.根据权利要求1所述固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于：凹土@硫化铜中的凹土与硫化铜的质量比为：(10～1):1 。

6.根据权利要求1所述固废堆场复合金属离子控制方法，其特征在于，每千克凹土@硫化铜的制备步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种固废堆场复合金属离子控制方法，属于固废堆场金属污染治理领域。在固废堆场周围构建能够吸附渗流液中有害物质的渗透吸附墙，若固废堆场依靠山体设置则只需要在固废堆场没有被山体包围的外侧面构筑渗透吸附墙，若固废堆场下方存在地下水，则构筑的渗透吸附墙需要向地下延伸直至地下隔水层，以防止固废堆场的渗滤液随地下水流出；渗透吸附墙顺序由固有土层、固有土层与凹土混合层、固有土层与凹土@二氧化锰混合层、固有土层与凹土@硫化铜混合层、固有土层构成。能够实现有害金属的稳定、高效截留去除，产品稳定性强、操作灵活、绿色环保，对煤矿及有色金属冶炼、堆浸过程产生的复合金属离子水污染控制有技术指导与应用意义。

技术研发人员：黄赳,李鹏
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13