New insight into mechanism of Cr(VI) migration and transformation in typical soils of chromite ore processing residue (COPR) contaminated sites

• DOI: 10.1007/s12665-021-09986-9
• Publication Date: 2021-09-26T07:02:33Z
• Authors: Minghai Wei; Wenting Li; Jie Tang; Samuel Barnie; Jia Zhang; Honghan Chen
• Keywords: Health, Toxicology and Mutagenesis; Biomedical Engineering; 0211 other engineering and technologies; Environmental engineering; Organic chemistry; 02 engineering and technology; Nanoscale Zero-Valent Iron Applications and Remediation; FOS: Medical engineering; Environmental science; Engineering; Mineral processing; Red soil; Soil water; Chromium Bioremediation and Health Impacts; Groundwater; Water Science and Technology; Soil science; Adsorption of Water Contaminants; Chromite; FOS: Environmental engineering; Geology; FOS: Earth and related environmental sciences; Mineralogy; Surface Modification; Alkali soil; Chemistry; Geotechnical engineering; Soil test; Physical chemistry; Environmental Science; Physical Sciences; Environmental chemistry; Adsorption

Chromite ore processing residue (COPR) storage sites are widely distributed all over the world, causing serious soil and groundwater pollution. However, the differences in soil constituents and properties in different regions are significant, and the dynamic migration and transformation of Cr(VI) in different types of soil under alkaline condition of the COPR site is still unclear. In this study, typical black soil, red soil and loess in different regions of China were chosen to investigate the adsorption kinetics and thermodynamics of Cr(VI) under the original pH conditions of the soil, and then the alkaline Cr(VI) solution was introduced into the soil column to simulate the dynamic migration and transformation process of Cr(VI) at COPR sites. According to the results, the Cr(VI) breakthrough curve predicted by the solid–liquid distribution coefficient Kd based on the static isotherm adsorption experiments significantly underestimated and overestimated the retention effect of black soil and red soil on Cr(VI) dynamic migration, respectively. For the black soil, the retention of Cr(VI) was dominated by Cr(VI) reduction, which was a slow reaction compared with Cr(VI) adsorption. Therefore, the reduction kinetics process during the column experiment cannot be neglected. With respect to the red soil, the outlet Cr(VI) concentration turned to be higher than the inlet concentration with the soil alkalization, which indicated that the adsorbed Cr(VI) desorbed again, and this was the main reason for the overestimation of Cr(VI) retention effect by the red soil. This study shows that the environmental risks of Cr in different types of soil are quite different, mainly related to the valence and occurrence form of Cr governed by the soil constituents and properties. In addition, the stable form of Cr in the black soil column after the reaction indicates that the soil organic matter can be used as a potential environmentally friendly remediation material for Cr(VI) contaminated soils at COPR sites.<br/>تنتشر مواقع تخزين بقايا معالجة خام الكروميت (COPR) على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، مما يتسبب في تلوث خطير للتربة والمياه الجوفية. ومع ذلك، فإن الاختلافات في مكونات التربة وخصائصها في مناطق مختلفة كبيرة، ولا تزال الهجرة الديناميكية وتحويل Cr(VI) في أنواع مختلفة من التربة في ظل الحالة القلوية لموقع COPR غير واضحة. في هذه الدراسة، تم اختيار التربة السوداء النموذجية والتربة الحمراء واللوس في مناطق مختلفة من الصين للتحقيق في حركية الامتزاز والديناميكا الحرارية لـ Cr(VI) في ظل ظروف الأس الهيدروجيني الأصلية للتربة، ثم تم إدخال محلول Cr(VI) القلوي في عمود التربة لمحاكاة الهجرة الديناميكية وعملية التحول لـ Cr(VI) في مواقع COPR. وفقًا للنتائج، فإن منحنى الاختراق Cr(VI) الذي تنبأ به معامل التوزيع الصلب والسائل Kd بناءً على تجارب الامتزاز المتساوي الحرارة الساكنة قلل بشكل كبير من تأثير الاحتفاظ بالتربة السوداء والتربة الحمراء على الهجرة الديناميكية Cr(VI) على التوالي. بالنسبة للتربة السوداء، كان احتباس Cr(VI) يهيمن عليه انخفاض Cr(VI)، والذي كان رد فعل بطيء مقارنة بامتزاز Cr(VI). لذلك، لا يمكن إهمال عملية حركية الاختزال أثناء تجربة العمود. فيما يتعلق بالتربة الحمراء، تحول تركيز مخرج Cr(VI) إلى أعلى من تركيز المدخل مع قلوية التربة، مما يشير إلى أن Cr(VI) الممتز امتص مرة أخرى، وكان هذا هو السبب الرئيسي في المبالغة في تقدير تأثير احتجاز Cr(VI) من قبل التربة الحمراء. تُظهر هذه الدراسة أن المخاطر البيئية للكروم في أنواع مختلفة من التربة مختلفة تمامًا، وتتعلق أساسًا بتكافؤ وشكل حدوث الكروم الذي تحكمه مكونات التربة وخصائصها. بالإضافة إلى ذلك، يشير الشكل المستقر لـ Cr في عمود التربة السوداء بعد التفاعل إلى أنه يمكن استخدام المادة العضوية للتربة كمواد معالجة محتملة صديقة للبيئة للتربة الملوثة بـ Cr(VI) في مواقع COPR.<br/>Les sites de stockage de résidus de traitement du minerai de chromite (COPR) sont largement répartis dans le monde entier, provoquant une grave pollution des sols et des eaux souterraines. Cependant, les différences dans les constituants et les propriétés du sol dans différentes régions sont significatives, et la migration dynamique et la transformation du Cr(VI) dans différents types de sol dans des conditions alcalines du site de la COPR ne sont toujours pas claires. Dans cette étude, un sol noir typique, un sol rouge et un loess dans différentes régions de Chine ont été choisis pour étudier la cinétique d'adsorption et la thermodynamique du Cr(VI) dans les conditions de pH d'origine du sol, puis la solution alcaline de Cr(VI) a été introduite dans la colonne de sol pour simuler le processus dynamique de migration et de transformation du Cr(VI) aux sites COPR. Selon les résultats, la courbe de percée du Cr(VI) prédite par le coefficient de distribution solide-liquide Kd sur la base des expériences d'adsorption isotherme statique a significativement sous-estimé et surestimé l'effet de rétention du sol noir et du sol rouge sur la migration dynamique du Cr(VI), respectivement. Pour le sol noir, la rétention de Cr(VI) était dominée par la réduction de Cr(VI), qui était une réaction lente par rapport à l'adsorption de Cr(VI). Par conséquent, le processus de cinétique de réduction pendant l'expérience de colonne ne peut pas être négligé. En ce qui concerne le sol rouge, la concentration de Cr(VI) en sortie s'est révélée supérieure à la concentration en entrée avec l'alcalinisation du sol, ce qui indiquait que le Cr(VI) adsorbé se désorbait à nouveau, et c'était la principale raison de la surestimation de l'effet de rétention du Cr(VI) par le sol rouge. Cette étude montre que les risques environnementaux du Cr dans différents types de sol sont très différents, principalement liés à la valence et à la forme d'occurrence du Cr régies par les constituants et les propriétés du sol. En outre, la forme stable du Cr dans la colonne de sol noir après la réaction indique que la matière organique du sol peut être utilisée comme matériau d'assainissement potentiellement respectueux de l'environnement pour les sols contaminés par le Cr(VI) sur les sites COPR.<br/>Los sitios de almacenamiento de residuos de procesamiento de mineral de cromita (COPR) están ampliamente distribuidos en todo el mundo, causando una grave contaminación del suelo y las aguas subterráneas. Sin embargo, las diferencias en los constituyentes y propiedades del suelo en diferentes regiones son significativas, y la migración dinámica y la transformación de Cr(VI) en diferentes tipos de suelo en condiciones alcalinas del sitio COPR aún no está clara. En este estudio, se eligieron suelos negros, rojos y loess típicos en diferentes regiones de China para investigar la cinética de adsorción y la termodinámica de Cr(VI) en las condiciones de pH originales del suelo, y luego se introdujo la solución alcalina de Cr(VI) en la columna de suelo para simular la migración dinámica y el proceso de transformación de Cr(VI) en los sitios de COPR. De acuerdo con los resultados, la curva de avance de Cr(VI) predicha por el coeficiente de distribución sólido-líquido Kd basado en los experimentos de adsorción isotérmica estática subestimó y sobreestimó significativamente el efecto de retención del suelo negro y el suelo rojo en la migración dinámica de Cr(VI), respectivamente. Para el suelo negro, la retención de Cr(VI) estuvo dominada por la reducción de Cr(VI), que fue una reacción lenta en comparación con la adsorción de Cr(VI). Por lo tanto, no se puede descuidar el proceso de cinética de reducción durante el experimento de columna. Con respecto al suelo rojo, la concentración de Cr(VI) de salida resultó ser mayor que la concentración de entrada con la alcalinización del suelo, lo que indicó que el Cr(VI) adsorbido se desorbió nuevamente, y esta fue la razón principal de la sobreestimación del efecto de retención de Cr(VI) por parte del suelo rojo. Este estudio muestra que los riesgos ambientales del Cr en diferentes tipos de suelo son bastante diferentes, principalmente relacionados con la valencia y la forma de ocurrencia del Cr gobernado por los constituyentes y propiedades del suelo. Además, la forma estable de Cr en la columna de suelo negro después de la reacción indica que la materia orgánica del suelo se puede utilizar como un posible material de remediación respetuoso con el medio ambiente para suelos contaminados con Cr(VI) en sitios COPR.<br/>