納米羥基磷灰石在重金屬污染土壤治理中的應(yīng)用研究

馬 濤

（太原學(xué)院，山西 太原 030002）

重金屬污染為當(dāng)前全球范圍內(nèi)被格外關(guān)注的問題之一，尤其是復(fù)合重金屬的污染問題尤其需要被關(guān)注。重金屬對土壤的污染越發(fā)嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)為高積累性和不可逆轉(zhuǎn)性。因此，針對土壤重金屬的污染單純地通過控制污染源無法實(shí)現(xiàn)對土壤重金屬的徹底根除[1]。目前，含磷材料已經(jīng)用于對土壤中重金屬的治理；為進(jìn)一步提升對土壤中重金屬的根治，考慮到納米材料具有高比表面積和反應(yīng)活性、吸附特定等優(yōu)勢，本文開展納米材料與傳統(tǒng)羥基磷灰石聯(lián)合應(yīng)用于對土壤中重金屬治理研究。

1 黃棕土壤重金屬治理研究

一般情況下，重金屬作為過渡元素其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為多價態(tài)、強(qiáng)活性的特性；由于不同區(qū)域的土壤在水分、溫度、pH 等方面的指標(biāo)存在較大的差異，導(dǎo)致重金屬在土壤中存在的形態(tài)多樣化。其中，土壤中的水溶性重金屬可作為植物的吸收物質(zhì)，可對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義；土壤中的殘?jiān)鼞B(tài)重金屬的活性和毒性較小[2]?？偟膩碇v，可將土壤中的重金屬形態(tài)分為水溶性、交換性、碳酸鹽結(jié)合性、鐵錳氧化物結(jié)合性以及有機(jī)物結(jié)合性6 種形態(tài)。

本文所研究的黃棕土壤中Pb、Cd、Cu 和Zn 的含量超標(biāo)，本節(jié)將通過實(shí)驗(yàn)的方式對分別采用骨粉、微米級羥基磷灰石和納米級羥基磷灰石3 種試劑對土壤中重金屬的治療效果進(jìn)行分析[3]?；凇锻寥擂r(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》對所研究土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，并采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀對其中各元素的含量進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表1 所示。

表1 黃棕土壤理化性質(zhì)測定結(jié)果 mg/kg

如表1 所示，黃棕土壤中鉛、鋅、鎘和銅重金屬已經(jīng)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值；實(shí)地調(diào)研可知，由于土壤重金屬的污染已經(jīng)對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成破壞。除表1 的測試結(jié)果外，該土壤的pH 值為7.16，其中的陽離子交換量為0.212 mol/kg。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及方法

將樣本根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行分類，分別對不同種類、不同質(zhì)量材料對土壤中重金屬的治理效果進(jìn)行對比。以納米羥基磷灰石為例，除了對照組外，按照磷與鉛摩爾比為0.5、1、2.0 和4.0 在樣本添加對應(yīng)的含磷材料，并混合均勻[4]。對上述處理的實(shí)驗(yàn)材料中加入矢量的去離子水，并將其在25 ℃的環(huán)境下培養(yǎng)60 d。

為分析得出不同含磷材料對土壤中重金屬的治理效果，根據(jù)土壤中的pH 值和緩沖量制備特定的提取液緩沖液。結(jié)合本節(jié)所研究土壤的特點(diǎn)制備提取液的流程如下：將5.7 mL 的冰醋酸置于1 L 的蒸餾水中，將其pH 值控制在2.88±0.05 之間；本實(shí)驗(yàn)所采用的緩沖液采用濃度分別為1 mol/L 的硝酸和氫氧化鈉進(jìn)行混合，并按照與樣本質(zhì)量為20∶1 的量加入緩沖液[5]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計和方法研究的基礎(chǔ)上，對不同含磷材料對土壤中重金屬的有效態(tài)含量和重金屬的形態(tài)變化進(jìn)行對比。具體分析如下：

3.1 不同含磷材料對應(yīng)土壤中重金屬的有效含量對比

通過對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同含磷材料對應(yīng)土壤中重金屬的有效含量對比，以對土壤中Cu 的有效含量為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同含磷材料對應(yīng)土壤中Cu 的減少量

如表2 所示，對于同一種含磷材料而言，隨著摩爾比的增加，對土壤中重金屬銅的減少量不斷增加，區(qū)別在于減少幅度存在一定的差異。而當(dāng)含磷材料的摩爾比為0.5 時，對應(yīng)采用骨粉材料對土壤中銅的治理效果最好；當(dāng)含磷材料的摩爾比為1 時，3 種含磷材料對土壤中銅的治理效果相當(dāng)；當(dāng)含磷材料的摩爾比大于1 時，對應(yīng)采用納米級羥基磷灰石對土壤中銅的治理效果最好。

以對土壤中Cd 的有效含量為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同含磷材料對應(yīng)土壤中Cd 的減少量

如表3 所示，對于同一種含磷材料而言，隨著含磷材料用量的增加，土壤中鎘的有效含量不斷減少；從整體上講，納米級羥基磷灰石對土壤中鎘的治理效果越好，其次為骨粉和微米級羥基磷灰石。

綜合分析可知，含磷材料可以有效降低土壤中的銅、鋅、鎘以及鉛等重金屬；而且，隨著含磷材料用量的增加，土壤中重金屬的有效含量不斷減少。納米級含磷材料對土壤中重金屬的治理效果越好；而且，納米級含磷材料對施加量更加敏感[6]。對于不同重金屬的治理效果而言，含磷材料對鉛的治理效果最強(qiáng)，其次為銅、鎘和鋅。

3.2 不同含磷材料對應(yīng)土壤中重金屬形態(tài)的對比

在25 ℃的環(huán)境下培養(yǎng)60 d 后，對土壤中重金屬的殘?jiān)鼞B(tài)的含量進(jìn)行對比。以土壤中鉛和銅的殘?jiān)鼞B(tài)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5 所示。

表4 不同含磷材料反應(yīng)后土壤中鉛的殘?jiān)鼞B(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

表5 不同含磷材料反應(yīng)后土壤中Cu 的殘?jiān)鼞B(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

如表4、表5 所示，對于同一種含磷材料而言，隨著用量的增加，對應(yīng)土壤中鉛和銅的殘?jiān)鼞B(tài)不斷增加；對于同一用量的含磷材料而言，納米級羥基磷灰石對應(yīng)土壤中鉛的殘?jiān)鼞B(tài)最多，即說明對重金屬的治理效果越好。

綜上所述，納米級羥基磷灰石相比于微米級羥基磷灰石和骨粉對應(yīng)土壤中重金屬的治理效果越好；而且，當(dāng)摩爾比為4 時對應(yīng)土壤中重金屬的治理、修復(fù)效果越好，其中對鉛的治理效果越好，其次為銅和鎘，最后為鋅[7]。

4 結(jié)語

近年來，隨著化工工業(yè)的發(fā)生，在前期缺乏對環(huán)境的保護(hù)，導(dǎo)致土壤遭到重金屬的嚴(yán)重污染。實(shí)踐表明，單純的抑制污染源無法實(shí)現(xiàn)對重金屬污染的根治。本文重點(diǎn)探討了土壤中重金屬的治理效果。其中，納米級羥基磷灰石相比于微米級羥基磷灰石和骨粉對應(yīng)土壤中重金屬的治理效果越好；而且，當(dāng)摩爾比為4 時對應(yīng)土壤中重金屬的治理、修復(fù)效果越好，其中對鉛的治理效果越好，其次為銅和鎘，最后為鋅。