Bản dịch của 1-2.-Fractionation-of-Phosphorus-in-Steelmaking-Slags-and-Aquatic-Particulate-Materials-Using-a-Sequential-Extraction-Technique-isij-vol-55pp183_2

Phân đoạn phốt pho trong xỉ thép và vật liệu hạt thủy sinh sử dụng kỹ thuật tách lần lượt Chúng tôi đã đo nồng độ và cấu trúc hóa học của phốt pho P, một chất dinh dưỡng thiết yếu trong

Phân đoạn phốt pho trong xỉ thép và vật liệu hạt thủy sinh sử dụng

kỹ thuật tách lần lượt

Chúng tôi đã đo nồng độ và cấu trúc hóa học của phốt pho (P), một chất dinh dưỡng thiết yếu trong hệ sinh thái biển, trong sản xuất thép xỉ (xỉ) để xác định xem sử dụng xỉ như một cơ sở trung bình cho các bãi triều nhân tạo và các thảm cỏ biển là một lựa chọn được chấp nhận về môi trường để tái sử dụng và tái chế xỉ Chúng tôi đã thử nghiệm sáu mẫu xỉ, bao gồm xỉ khử phosphat hóa và xỉ lò thổi Tổng nồng độ P là một bậc độ lớn cao hơn trong Xỉ so với trong các vật liệu thủy sinh Chúng tôi sử dụng một kỹ thuật tách lần lượt, trong đó sức mạnh của các chất dùng để tách được tăng lên từng bước để tách các bể P trong Xỉ thành bốn phần; P, Fe (III)-bound P, thành phần giống như P tự sinh, và Mảnh vụn có thành phần chứa P Chúng tôi coi P được chứa trong hai phần đầu tiên có thể dễ dàng huy động theo các điều kiện được tìm thấy trong một số môi trường biển, chẳng hạn như các vùng trầm tích tầng cao P linh động chiếm 55-660 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng P trong Xỉ Kết quả cho thấy Xỉ có tiềm năng đáng kể để hoạt động như một nguồn P có thể duy trì năng suất sinh học trong các hệ sinh thái thủy triều phẳng và cỏ biển nhân tạo Mặt khác, Xỉ cũng có khả năng giảm thiểu sự phóng thích nhanh chóng và nhanh chóng của P từ phương tiện

cơ bản, bởi vì cơ chế tồn tại để hấp thụ và kết tủa phosphate với các thành phần chính của Xỉ, bao gồm sắt, canxi và magiê

Xỉ thép; phốt pho; phương pháp chiết tuần tự; bãi triều; giường lươn

1 Giới thiệu

Tái chế chất thải công nghiệp và phụ phẩm đã trở nên rất quan trọng vì chi phí xử lý và thực thi các quy định về môi trường đòi hỏi phải tối thiểu hóa việc xử lý chất thải Ngành công nghiệp sản xuất thép đặc biệt quan tâm đến vấn đề này bởi vì nó tạo ra một lượng lớn các sản phẩm phụ Xưởng luyện xỉ (xỉ), là một trong những sản phẩm phụ chính của

hoạt động sản xuất thép, được sản xuất với số lượng lớn hàng năm ở các nước khác nhau.1–3) Tại Nhật Bản, 10 triệu tấn xỉ được tạo ra mỗi năm.1 Xỉ được tái chế và sử dụng trong các quá trình thiêu kết nhằm phục hồi sắt, như vật liệu xây dựng cho đường và các công trình khác, và như phân bón.1,4) Các công ty sản xuất thép hiện đang tìm kiếm các công nghệ tiên tiến hơn để giảm lượng xỉ sản xuất và các sản phẩm và quy trình mới mà xỉ sẽ là một resource.5 có giá trị)

trong những năm gần đây, việc sử dụng xỉ như một thay thế cho cát như các phương tiện cơ bản để xây dựng bãi triều nhân tạo và thảm cỏ biển đã bắt đầu thu hút attention.1, 6–9) Các bãi triều và thảm cỏ biển mang lại lợi ích sinh thái trongbiển ven

môi trườngbiển.10–14) Tuy nhiên, tổng diện tích các bãi triều tự nhiên

và các thảm cỏ biển của cỏ biển (Zostera marina L.), cỏ biển phổ biến nhất ở các khu vực ven biển Nhật Bản , h Xỉ được mong đợi là một phương tiện cơ bản thích hợp để tạo ra các bãi triều nhân tạo và thảm cỏ biển cả về thể chất và hóa học, trong trường hợp này bởi vì nó giàu chất dinh dưỡng Phốt pho (P) là một trong những chất dinh dưỡng cần thiết cho việc duy trì năng suất biển, trong khi việc giải phóng P nhanh chóng

và dư thừa vào nước biển làm giảm chất lượng nước có tác dụng dinh dưỡng tốt(hiện tượng khử oxi trong nước do phân hủy của vi sinh).16) Nếu lượng P quá lớn được thải ra từ xỉ một cách nhanh chóng và liên tục, kết quả có thể là sự phát triển Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã tiết lộ rằng một số loại xỉ, bao gồm xỉ lò cao và xỉ lò điện hồ quang, đặc điểm trưng bày dẫn đến loại bỏ P hiệu quả khỏi phế xỉ(water ), 17,18) thay vì

là nguồn gốc của P Hoạt động của P liên kết với xỉ có vẻ khá phức tạp trong điều kiện môi trường biển

Trong môi trường ven biển nông, bao gồm cả bãi triều và thảm cỏ biển, trầm tích đóng một vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh chu kỳ P thông qua phát hành và hấp thụ từ nước

*Hành vi P trong trầm tích phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi

trường, bao gồm cả khả năng khử oxi hóa, pH, độ mặn và các hoạt động của sinh vật đáy 21–24) Bổ sung vào điều kiện tại chỗ, lượng và tính chất của các hợp chất chứa trong trầm tích là các yếu tố quan trọng, vì trầm tích thủy sinh chứa nhiều các dạng của P và một số dạng P khác nhau rất nhiều về phản ứng của chúng.(25-27) Để đánh giá lợi ích và tác động bất lợi có thể có của việc sử dụng Xỉ trong môi trường biển, điều quan trọng là làm rõ cơ chế và mức độ cung cấp/ sự hấp thụ P của Xỉ trong trầm tích của các bãi triều và luống cỏ Ít được biết về phản ứng của các thành phần chứa P của Xỉ trong một loạt các điều kiện môi

trường biển

Mục tiêu chính của nghiên cứu của chúng tôi là đánh giá Xỉ về khả năng hoạt động như một nguồn / bồn chứa P khi được sử dụng làm môi trường cơ sở cho các bãi triều và thảm cỏ biển Thiết kế thử nghiệm liên quan đến phân đoạn và định lượng các thành phần chứa P khác nhau trong Xỉ sử dụng kỹ thuật tách lần lượt đã được phát triển để đánh giá độ thích ứng P trong trầm tích thủy sinh.25-27) vật liệu, bao gồm trầm tích ven biển và cửa sông cạn, trầm tích bãi triều, trầm tích đáy biển và các chất lơ lửng trên sông

2 Thử nghiệm

2.1 Các mẫu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng hai loại Xỉ, bao gồm slag dephosphorization(khử P) và xỉ lò thổi Sáu mẫu Slag của ba mẫu dephosphorization (S1-S3) và ba xỉ lò thổi(S4 – S6) được cung cấp từ bốn nhà máy thép ở Nhật Bản Các mẫu xỉ được nghiền thành bột với vữa và vỏ ôxít nhôm

Ngoài các mẫu xỉ, chúng tôi đã phân tích các chất đặc trưng tự nhiên thu được từ các môi trường thủy sinh khác nhau Các loài thủy sinh vật

bao gồm trầm tích biển ven biển và vật liệu nạo vét, trầm tích cửa sông, trầm tích tầng lươn, bãi triều và bãi bồi cát, và chất lơ lửng Danh sách các mẫu và vị trí lấy mẫu được thể hiện trong Bảng 1 Mẫu trầm tích biển ven bờ (N1) được cung cấp như một đối chứng tham chiếu địa hóa (JMS-1) theo Khảo sát Địa chất Nhật Bản (https: // gbank.gsj jp / geostandards /) 28) và được thu thập từ vịnh Tokyo, một lưu vực có nhiều chất phú dưỡng Mẫu nạo vét đã được nạo vét (N2) được cung cấp

từ các hoạt động nạo vét cho các tuyến vận tải chính và hào ởMizushima cảngở biển nội địa Seto, Nhật Bản Vật chất lơ lửng trên sông (N8) là một tập hợp các hạt bản địa chuyển sang môi trường biển ven bờ, và các chi tiết của mẫu được mô tả trong Suzumura và Kamatani.29) Các mẫu khác được thu thập với một muỗng từ khoảng 5 cm trên cùng của trầm tích Những mẫu này được đóng khô và nghiền thành bột bằng cối và chày

2.2 Phân tích

Thành phần hóa học của các nguyên tố chính trong Xỉ và mẫu hạt thủy sinhđược phân tích bằng máy quang phổ huỳnh quang tia X phân tán năng lượng (EDXL300, Rigaku) Mất tích cháy (LOI) được xác định bằng cách đánh lửa mẫu trong một giờ ở 750 ° C.30) Hàm lượng cacbon hữu cơ của vật liệu hạt thủy sinh được đo bằng máy phân tích nguyên tố (FLASH 2000, Thermo Fisher Scientific) sau loại bỏ cacbonat bằng cách

bổ sung axit clohydric

Nồng độ P tổng được xác định bằng phương pháp đánh lửa (ignition method.)(31,32) Tóm lại, P vô cơ được dùng để tách bằng axit clohydric

1 M từ các mẫu sau khi đốt ở 470 ° C trong 90 phút bằng cách thêm magiê nitrat Nồng độ phosphat phản ứng hòa tan (SRP) trong dùng để tách axit được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ axit ascorbic, molybdate-blue với một con dấu phân tích QuAAtro Autoanalyser (2-HR, BLTEC) ở bước sóng 880 nm

Sự phân đoạn hóa học của P được thực hiện với một chương trình tách lần lượt bốn bước (Bảng 2) Phương pháp chiết được dựa trên các phương pháp của Ruttenberg25) như được sửa đổi bởi Schenau và De Lange27) và Küster-Heins et al.26) Sức mạnh của các chất chiết được tăng theo từng bước để phân tách tuần tự liên kết mạnh hơn P Khoảng 0,125 g của mẫu bột được dùng để tách tuần tự với 25 mL (I) 2 M amoni clorua (pH 7; lặp đi lặp lại mười lần), (II) tỷ lệ dithionit đệm (CDB; pH 7.5), (III) 1 M natri ace- tate đệm (pH 4), và (IV) 1 M hydrochloric acid Sau khi chiết các bước 2 và 3, các mẫu đã được rửa sạch liên tục với 2 M amoni clorua (25 mL) và nước (25 mL) để tránh tái hấp phụ phosphate Sau mỗi lần chiết và rửa, huyền phù được ly tâm (2 380 × g, 10 phút), và phần nổi phía trên được lọc qua một ống tiêm có kích thước lỗ 0,45 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pm (Millex-HV, Millipore) Nồng độ SRP trong mỗi phần nổi phía trên được xác định tự động Phần nổi phía trên từ các bước (I), (II) -2,

Bảng 1 Danh sách các mẫu hạt thủy sinh và địa điểm thu gom của

chúng

Mẫu số Loại hạt Vị trí

N1 trầm tích biển ven biển (JMS-1) Vịnh Tokyo, Nhật Bản

Vật liệu n2 nạo vét Cảng Mizushima, Okayama, Nhật Bản

N3 cửa sông trầm tích Sông Seno, Hiroshima, Nhật Bản

N4 lươn trầm tích tầng Mitsuguchi Bay, Hiroshima, Nhật Bản

N5 cát bãi biển trầm tích Mutsu Ogawara, Nhật Bản

N6 thủy triều phẳng trầm tích Banzu thủy triều phẳng, Chiba, Nhật Bản N7 thủy triều phẳng trầm tích Komuke Lake, Hokkaido, Nhật Bản

N8 riverine lơ lửng hạt vật chất Tama sông, Tokyo, Nhật Bản

Bảng 2 Các bước tách lần lượt và pha P được xác định trong trầm tích

biển 25–27)

Thuốc thử và điều kiện, pha P được tách ra

I:

10 × 25 ml 2 M NH 4 Cl (pH 7), 4 h ; P thay đổi bao gồm P hấp thụ lỏng lẻo, apatit sinh học, khoáng chất tiền chất apatit, CaCO3-P

II-1

1 x 25 ml dung dịch đệm dithionit citrate (pH 7.5), 16 h ; Fe (III)-bound

P - P bao gồm P liên kết với sắt có thể khử / phản ứng

II-2

1 × 25 ml 2 M NH4Cl (pH 7), 2 h

1 × 25 ml H2O, 2 h

III-1 1 × 25 ml 1 M Na-axetat (pH 4), 16 h

Authigenic P bao gồm fluorapatite cacbonat tự sinh

III-2 1 × 25 ml 2 M NH 4 Cl (pH 7), 2 h

III-3 1 × 25 ml H 2 O, 2 h

IV-1 1 × 25 ml 1 M HCl, 16 h

P vụn bao gồm đá apatit vụn có nguồn gốc đá núi lửa hoặc đá biến chất, các khoáng chất chứa P hòa tan trong axit khác

IV-2 1 × 25 ml H 2 O, 2 h

(III) -1, và (III) -2 (Bảng 2) được axit hóa thành pH 1 bằng cách thêm axit clohydric, tiếp theo là phân tích nồng độ P Dùng để tách CDB từ bước (II) -1 không phù hợp với phân tích bằng phương pháp molybdate-blue chuẩn vì citrate cản trở sự giảm phức hợp molybdat Để loại bỏ nhiễu, các dùng để tách CDB được phản ứng với 1% v / v FeCl3 (conc cuối cùng) trong vài ngày Thuốc thử ammonium molybdate sau đó được thêm vào dung dịch mẫu với tỷ lệ thể tích 3: 1 để chuyển đổi phosphate đến một phức hợp phosphomolybdate Phức hợp phosphomolybdate trong dung dịch mẫu được tinh chế bằng cách sử dụng kỹ thuật chiết pha rắn với hộp mực Sep-Pak PS1 (Waters) Nồng độ

P trong dung dịch được xác định bằng quang phổ như mô tả ở trên Trọng lượng khô của Xỉ và vật liệu hạt thủy sinh được xác định bằng cách sấy ở 110 ° C, và nồng độ P được báo cáo ở đây trên cơ sở trọng lượng khô tương ứng Tất cả các thuốc thử được sử dụng là loại phân tích nước Tinh khiết thu được trực tiếp từ hệ thống Gradient Milli-Q (Millipore) đã được sử dụng để chuẩn bị và làm sạch thuốc thử

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Tổng nồng độ P

Hình 1 Nồng độ phospho trong mẫu xỉ (S1-S6) và vật liệu hạt thủy sinh (N1 – N8) Thanh trái, tổng nồng độ P được xác định bằng phương pháp đánh lửa; thanh bên phải, nồng độ P được dùng để

tách trong mỗi bước của phương pháp chiết tuần tự.

Tổng nồng độ P được xác định bằng phương pháp đánh lửa trong sáu mẫu Xỉ dao động từ 216 đến 815 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g – 1 (Hình 1) Các mảnh xỉ nghèo có chứa rất cao tổng nồng độ P thay đổi (S1-S3; Hình 1)

Tổng nồng độ P cao nhất và thấp nhất được tìm thấy trong quá trình khử phospho giảm tương ứng S1 và S2 Ngược lại, tổng nồng độ P trong các xỉ chuyển đổi tương đối đồng nhất; tất cả đều giảm trong phạm vi

hẹp từ 340–433 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g – 1 Mặc dù phương pháp đánh lửa được sử dụng trong nghiên cứu này đã được sử dụng rộng rãi cho tổng phân tích

P trong trầm tích thủy sinh và các hạt vật chất, 31,32) nhưng là ứng dụng đầu tiên của phương pháp đối với Xỉ Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các kỹ thuật khác để phân tích xỉ, bao gồm phân tích vi mô thăm

dò điện tử và huỳnh quang tia X Những nghiên cứu đó báo cáo rằng tổng nồng độ P dao động từ 0,7 đến 17 phần trăm khối lượng là P 2 O 5 trong các loại Xỉ khác nhau 1,5,34) Những giá trị này, tương ứng với 98–2 400 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g-1, là con số phù hợp với những người quan sát thấy trong nghiên cứu này Chúng tôi đã xác định thành phần hóa học của các mẫu xỉ bằng quang phổ huỳnh quang tia X phân tán năng lượng (Bảng 3)

và thấy rằng tổng nồng độ P trong các mẫu xỉ ước tính bằng phương pháp đánh lửa và huỳnh quang tia X có thể so sánh được với nhau Có một mối quan hệ tuyến tính đáng kể giữa tổng nồng độ P được xác định bởi hai phương pháp này mặc dù tỷ lệ này không phải là 1: 1 (Hình 2, r = 0,981, P <0,001, n = 6) Phương pháp đánh lửa do đó dường như có ích

để xác định tổng nồng độ P trong Xỉ cũng như trong các mẫu trầm tích Tổng nồng độ P trong các vật liệu thủy sinh trong nghiên cứu này dao động trong khoảng từ 5 đến 32 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g – 1 (Hình 1) Hầu hết các giá trị nằm trong phạm vi tổng số P được báo cáo trong các nghiên cứu trước đây cho các mẫu thủy sản khác nhau, bao gồm trầm tích từ các lưu vực cạn ven biển, giường lươn, bãi triều và cửa sông, và các hạt huyền phù.35–39) tìm thấy nồng độ P thấp, nhỏ hơn 10 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g – 1, trong các mẫu cát (N5 và N6) Nồng độ cao nhất, 32,4 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g-1, được tìm thấy trong huyền phù lơ lửng sông (N8), có chứa một tỷ lệ cao các hợp chất hữu cơ bản địa P 29) So sánh các mẫu thủy sinh tự nhiên với Xỉ cho thấy rằng tổng nồng độ P trong Xỉ cao hơn 1-2 lần so với nồng độ trong các mẫu thủy sản tự nhiên

Bảng 3 Phần trăm khối lượng của các thành phần hóa học chính của xỉ

và vật liệu hạt thủy sinh

Hóa chất; các thành phần

Số mẫu

* Tỷ lệ Fe tổng số được khử thành Fe2O3

LỢI: mất khi đánh lửa

nd: không được phát hiện

3.2 Phần P bằng cách tách lần lượt

Hàm lượng P trong xỉ cao hơn đáng kể ngụ ý rằng xỉ là nguồn tiềm năng của P nếu nó được sử dụng làm môi trường cơ sở cho các bãi triều nhân tạo và các thảm cỏ biển Do đó, điều quan trọng là phải kiểm tra mức độ nào và trong điều kiện nào P chứa trong Xỉ có thể được dùng

Hình 2 Các tổng nồng độ P trong các mẫu xỉ được xác định bằng huỳnh quang tia X và phương pháp đánh lửa Đường thẳng, đường hồi quy tuyến tính; đường đứt nét, tin cậy 95%

Các kỹ thuật tách lần lượt đã được sử dụng để xác định các dạng hóa học của P trong trầm tích thủy sinh và các vật liệu hạt Hình 1 cho thấy nồng độ của bốn thành phần của P trong các mẫu Xỉ và vật liệu hạt thủy sinh dựa trên sự phân đoạn bằng công nghệ tách lần lượt Các thành phần

P được tách trong bước I (2 M NH4Cl) được coi là dễ dàng huy động nhất và có thể được định nghĩa là P có thể trao đổi được Trong trầm tích biển và các vật liệu thủy sinh khác có thể trao đổi P bao gồm P hấp thụ lỏng, apatit sinh học, apatit tiền chất khoáng, CaCO3 -P.(27) Ngoại trừ mẫu S3, P trao đổi ở bước I chiếm phần lớn P trong Xỉ Nồng độ P trao đổi dao động từ 105 đến 515 μmol P g-1 và chiếm 56- 81% tổng Pmol P g-1 và chiếm 35% (S6) đến 64% (S4) của tổng P (Hình 3) Không giống như các mẫu khác, P có thể trao