土壤中重金屬形態(tài)分布對化學提取的影響

臧小龍 谷慶寶 孟 柯 Sadia Qayyum 彭昌盛*

(1.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012)

土壤中重金屬形態(tài)分布對化學提取的影響

臧小龍1谷慶寶2孟 柯1Sadia Qayyum1彭昌盛1*

(1.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012)

重金屬在土壤中有多種賦存形態(tài)，其形態(tài)分布不僅決定了土壤污染的程度，也在很大程度上影響著對土壤重金屬污染的修復效果。鑒于目前關于重金屬的形態(tài)分布對化學提取效率影響研究不足的問題，本文以Pb、Cr實際污染的土壤(A1、B1)以及配制的污染土壤(A2、B2)為研究對象，采用改進的BCR連續(xù)提取法對土壤重金屬的形態(tài)進行分析，選取氯化鈣、鹽酸、氫氧化鈉、檸檬酸、乙二胺四乙酸二鈉、谷氨酸二乙酸四鈉和皂角苷7種化學提取劑對土壤重金屬進行提取，對比提取前后重金屬的形態(tài)分布來確定重金屬形態(tài)分布對提取效率的影響。結果表明：人工配制污染土壤A2、B2中可提取態(tài)重金屬的含量(88.07%、79.81%)高于實際污染土壤A1、B1(80.80%、37.55%)。EDTA(乙二胺四乙酸二鈉)對A1、A2、B1、B2中重金屬的提取效率最高分別為80.09%、89.80%、24.22%、53.63%，7種提取劑振蕩提取結果顯示，可提取形態(tài)重金屬含量越高，重金屬的提取率越高。對化學提取后重金屬的形態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)除B1外，EDTA和GLDA(谷氨酸二乙酸四鈉)對A1、A2、B2可提取態(tài)的去除量占總去除量的比例都達到92%以上，證明了重金屬整體的提取率主要是由可提取態(tài)重金屬的提取率所決定的。

土壤；重金屬；化學提取；形態(tài)分布

隨著工業(yè)化的發(fā)展，越來越多的重金屬通過各種途徑被排放到環(huán)境中，土壤作為環(huán)境介質(zhì)，承受著日趨嚴重的重金屬危害。我國受Cd、Pb、Cr、Hg、Zn等重金屬污染的耕地面積近2 000×104hm2，約占總耕地面積的1/5[1]。重金屬不能被生物降解，在土壤中能夠長期的殘留，可以通過直接接觸或者通過食物鏈進入人體，危害人體健康，甚至是致癌致畸[2]。重金屬污染是土壤污染問題中污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問題之一[3]。

實際上，決定重金屬的遷移能力，生物可利用性和生態(tài)毒性大小的是土壤中可提取態(tài)重金屬的含量，而不是土壤中重金屬總量[4]，重金屬在土壤中的賦存形態(tài)對土壤的修復效果有重要的影響[5]。根據(jù)歐洲參考交流局( The Community Bureau of Reference)提出的BCR連續(xù)提取法，將土壤中的重金屬分為酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)[6]。各種形態(tài)重金屬與土壤顆粒的結合方式、在土壤中的遷移能力以及提取的難易程度見表1[4,6]。酸可提取態(tài)和可還原態(tài)的重金屬在環(huán)境中活性比較強，對生物體毒性也比較大，同時也能被提取劑有效的提取，稱為可提取態(tài)重金屬，是土壤重金屬污染修復研究的重點。

化學提取是一種有效去除土壤重金屬的方法，因其工藝簡單、處理范圍廣、效率高、處理成本低被廣泛應用[7-9]。目前用來修復重金屬污染土壤的提取劑主要有無機鹽、無機酸、有機酸、螯合劑和表面活性劑。其中CaCl2(無機鹽類)、HCl(無機酸類)、NaOH(無機堿類)、檸檬酸(有機酸類)、EDTA(人工螯合劑)、谷氨酸二乙酸四鈉GLDA(天然螯合劑)、皂角苷(生物表面活性劑)是被研究的比較多的幾種[10-18]。

目前關于提取劑最佳提取條件以及提取前后重金屬的形態(tài)分析已經(jīng)被廣泛的研究，但是重金屬形態(tài)分布對化學提取效率的影響卻很少涉及。本文選擇上述7種化學提取劑對4種重金屬污染的土壤進行提取，對比提取前后重金屬形態(tài)的變化來驗證重金屬形態(tài)分布對化學提取效果的影響，并探究形態(tài)分布對重金屬解吸速率的影響。

表1 四種形態(tài)重金屬的比較

1 材料與方法

1.1 土壤樣品

樣品A1是Pb污染土壤，采自濰坊某蓄電池有限公司鉛污染場地，在鉛蓄電池生產(chǎn)和裝配的過程中，因產(chǎn)品原料的運輸、堆放及生產(chǎn)過程的跑冒滴漏等行為造成場地土壤鉛污染，產(chǎn)生的污染物主要有鉛酸廢水、鉛塵以及廢鉛膏等。樣品B1是Cr污染土壤，采自青海某化工廠,生產(chǎn)的過程造成了熔煉車間、裝配車間和固體廢物堆存車間等區(qū)域土壤鉻污染。A1、B1的采樣深度均為0～20 cm，室溫下風干，粉碎過2 mm篩子。

分別稱取2g Pb(NO3)2配置成100 mL的溶液均勻噴灑在500 g采自樣品A1地區(qū)未污染的土壤中配制成人工重金屬污染樣品A2，稱取2g K2Cr2O7配置成100 mL的溶液均勻噴灑在500 g采自樣品B1區(qū)域未污染土壤中配制成人工重金屬污染樣品B2,放置在室外穩(wěn)定兩周后，自然風干。

對4種土壤樣品進行理化性質(zhì)分析，結果見表2。土壤pH和電導率值測定采用電位法(土液比為1/2.5和1/5)，總有機碳測定采用重鉻酸鉀容量-稀釋熱法,粒徑分布采用激光粒度分布儀(JL-1155)進行測量，土壤陽離子交換量用醋酸銨淋洗法測定[19]。并使用X射線衍射儀 (型號：D/max-γB.Rigaku)對A1、A2、B1和B2中的礦物成分進行分析，樣品B1中除了含有石英、方石英、方解石以外還含有較多的粘土礦物伊利石和蒙伊利石。

表2 土壤的理化性質(zhì)

1.2 振蕩提取實驗

稱取土樣A1，置于50 mL具塞錐形瓶中，按照土液比1g/25 mL加入0.05 mol的CaCl2、HCl、NaOH、檸檬酸、EDTA、GLDA和皂角苷7種提取劑，將上述混合液置于25°C、140 rpm條件下震蕩24 h后，以3 000 r/min的速度離心15 min,取上清液過0.45 μm濾膜，用火焰原子吸收分光光度計(型號：M6.Thermo SOLAAR)測定溶液中Pb和Cr的濃度，每處理重復3次取平均值。樣品A2，B1，B2按照與A1相同的步驟進行處理。

1.3 土壤重金屬的形態(tài)分析

首先按照BCR連續(xù)提取法的步驟對4種樣品中重金屬進行初始形態(tài)的分析，EDTA和GLDA可以有效的去除土壤中的重金屬，使提取后的土壤中重金屬的形態(tài)重新分布，因此我們對EDTA和GLDA提取后的4種土樣再次進行形態(tài)分析，對比前后形態(tài)的變化，研究形態(tài)分布對化學提取的影響。

1.4 重金屬解吸實驗

本實驗通過探討重金屬去除率隨時間的變化，描述重金屬的解吸過程，衡量重金屬被提取劑提取的快慢。稱取1g A1，從7種提取劑中選擇對4種土壤中重金屬提取效果最好的一種，按照土液比1g/25 mL將其置于25°C、140 rpm條件下震蕩，分別在10 min、30 min、60 min、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h時取樣，過0.45 μm濾膜，用火焰原子吸收分光光度計測定溶液中Pb和Cr的濃度。每實驗重復3次，取平均值。A2、B1、B2按照相同的步驟進行處理，比較A1、A2以及B1、B2的解吸速率和解吸量。

2 結果和討論

2.1 振蕩提取實驗結果分析

從圖1可以看出7種提取劑對人工污染土壤(A2、B2)重金屬的提取率全部高于實際污染土壤(A1、B1)。其中EDTA對四種土壤的整體處理效果最好，對A1、A2、B1和B2的提取率分別是80.09%、89.80%、24.22%和53.63%。GLDA的作用僅次于EDTA，其對B2的提取率為78.71%，高于EDTA 對B2的提取率53.63%。EDTA和GLDA與重金屬有較強的絡合能力，很多學者將其應用于對重金屬污染土壤的研究，證明其對重金屬有較高的去除率[13-14]。EDTA對B1、B2的提取率差別很大，而對A1、A2的提取率的差別較小。這是因為A1、A2的可提取態(tài)含量很接近，而B1、B2可提取態(tài)含量的差別較大(圖2、圖3)。使用GLDA提取4種土樣中的重金屬也得出相同的結果。剩余5種提取劑除了NaOH對Cr實際污染土壤B2有較高的提取率以外，其它的無論是對Pb或是Cr實際污染土壤的提取率都很低。實驗結果證明人工配制的污染土壤中的重金屬相對于實際污染土壤，更容易被提取。

2.2 EDTA和GLDA提取前后土壤重金屬形態(tài)的變化

由圖2可以看出，A1、A2各形態(tài)初始含量的差異較小，實際污染土壤A1可提取態(tài)的重金屬百分比低于人工污染土壤A2，但差別不是很明顯，含量分別為80.80%和88.07%。EDTA和GLDA提取之后A1、A2中絕大部分的酸可提取態(tài)和可還原態(tài)被去除，可氧化態(tài)的含量整體上有所降低，但是提取率很低，而殘渣態(tài)的含量幾乎沒有變化。EDTA和GLDA提取之后A1主要集中在殘渣態(tài)；A2經(jīng)過GLDA提取之后也主要集中在殘渣態(tài)，但經(jīng)過EDTA提取之后，仍存在一部分酸可提取態(tài)和可還原態(tài)的重金屬，各形態(tài)分布比較均勻。實驗結果表明可提取態(tài)的重金屬才能被提取劑有效的提取，而EDTA相對于GLDA能夠更加徹底的去除可提取態(tài)的Pb。

圖1 7種淋洗劑對A1,A2中的Pb以及B1，B2中的Cr的提取率

由圖3可以看出B1、B2各形態(tài)初始含量比例差異較大，B1的可提取態(tài)含量為37.55%，遠遠低于B2的79.81%。B1中鉻可氧化態(tài)含量非常高，達到52.31%，而理化分析也發(fā)現(xiàn)B1中含有大量的有機質(zhì)，在重金屬污染的土壤中，土壤有機質(zhì)含量增加會降低土壤重金屬元素可提取態(tài)含量[26-27]。經(jīng)過EDTA和GLDA提取后B1和B2中絕大部分的酸可提取態(tài)和可還原態(tài)被去除，B2各形態(tài)的變化規(guī)律與A1、A2相似；B1雖然有一部分可氧化態(tài)被去除，但是經(jīng)過EDTA和GLDA提取后可氧化態(tài)依然占據(jù)主導地位，大部分的重金屬離子與有機質(zhì)形成了強絡合物，穩(wěn)定的存在于土壤中。有研究表明土壤中的有機物分為與土壤固體結合態(tài)有機物和溶解態(tài)有機物，Alloway[28]和Mesquita[29]證實土壤中的固體結合態(tài)有機物可以增加重金屬與土壤顆粒之間的結合程度降低重金屬的活性，而溶解態(tài)有機物可以活化重金屬。B1土壤中相對其他土壤含有更多有機物的同時，可能也含有一定量的溶解態(tài)有機物，與這部分有機物結合的重金屬能夠被EDTA和GLDA提取。此時相同濃度的GLDA去除可提取態(tài)Cr的能力大于EDTA，這是因為GLDA是堿性物質(zhì)，溶液中存在的OH-與土壤顆粒上的鉻陰離子產(chǎn)生競爭吸附使鉻陰離子被替代下來[30],這也是震蕩提取實驗中NaOH對B1、B2中鉻提取率高的原因。該實驗結果同樣能得出可提取態(tài)的重金屬才能被提取劑有效的提取。

圖2 0.05 mol EDTA和GLDA提取后A1、A2中Pb形態(tài)的變化

圖3 0.05 mol EDTA和GLDA提取后B1、B2中Cr形態(tài)的變化

為了探討可提取態(tài)重金屬去除率對整體去除率的影響，我們分別使用公式1和公式2對整體去除率和可提取態(tài)去除量占總體去除量的比例進行計算，結果列于表3。

(1)

(2)

式中：f1、f2、f3、f4分別代表化學提取后酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)重金屬含量，mg/kg； F1、F2、F3、F4分別代表酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)重金屬初始含量，mg/kg。

表3 0.05 mol EDTA和GLDA對四種重金屬不同形態(tài)的提取效率

通過比較4種土樣中重金屬的整體提取率和可提取態(tài)去除量占整體去除量的比例，我們可以發(fā)現(xiàn)被去除的那一部分重金屬基本上是可提取態(tài)的，難提取態(tài)的提取率對整體提取率的貢獻非常低。另外，比較A1與A2以及B1與B2的整體提取率和可提取態(tài)提取量占整體提取量的比例，我們可以得到與震蕩提取相同的結論，即可提取態(tài)重金屬含量越多，重金屬的提取量就越大。一些研究也得出相似的結論，Zhang Weihua等人[31]通過批實驗研究表明重金屬的去除效率與可交換態(tài)重金屬之間有一定的線性關系。岳聰?shù)热薣32]用浸取法提取土壤中的重金屬，結果表明重金屬提取量與重金屬可交換態(tài)及碳酸鹽結合態(tài)之和呈顯著的正相關性。Zinna等[33]也證實有機態(tài)和殘渣態(tài)含量越多對重金屬的去除效率越低。

2.3 解吸實驗結果分析

有研究認為螯合劑對土壤重金屬的提取可以分為兩個步驟，先是快速解吸過程，然后是一個持續(xù)緩慢的解吸過程[34]。EDTA對A1，A2，B1和B2中重金屬提取率隨時間的變化如圖4所示。解吸動力學曲線的快速反應階段對應于靜電吸附態(tài)重金屬的解吸，而慢速反應階段主要對應于專性吸附態(tài)重金屬的解吸[35-37]。

從圖4可以看出，可提取態(tài)重金屬含量高的A2、B2重金屬解吸率高，達到解吸平衡所用的時間較長。在本實驗初始階段隨時間的增加重金屬的去除率增幅較大，A1和B1的快速解吸階段都持續(xù)了2 h，解析率分別達到69.89%和24.05%(最終解吸率為73.10%和24.05%);而A2和B2的快速解吸階段時間是8 h和4 h,解吸率分別達到80.61%和49.46%(最終解吸率為88.01%和53.48%)。可提取態(tài)重金屬含量多的土壤快速解吸過程需要更長的時間，這與其可提取態(tài)中靜電吸附態(tài)金屬的含量多有關。使用化學提取法去除土壤重金屬時，可以根據(jù)可提取態(tài)重金屬的含量來確定反應時間，含量多的可適當?shù)难娱L反應時間。一些學者研究表明Pb在土壤中的競爭吸附能力較強，且存在著專性吸附，所以鉛在土壤中的溶解比較緩慢[38-40]。

圖4 0.05 mol EDTA對四種土壤中重金屬提取率隨時間的變化

3 結論

(1)人工配制的污染土壤A2、B2中可提取態(tài)重金屬的含量為88.07%、79.81%，高于實際污染的土壤A1、B1中的80.80%、37.55%，EDTA對A1、A2、B1、B2中重金屬的提取效率最高，分別為80.09%、89.80%、24.22%、53.63%，7種提取劑振蕩提取結果顯示，可提取形態(tài)重金屬含量越高，重金屬的提取率越高。

(2)化學提取能夠有效地去除酸可提取態(tài)及可還原態(tài)的重金屬，而對難提取態(tài)的重金屬提取效率不高。本實驗中除B1外，EDTA和GLDA對A1、A2、B2可提取態(tài)的去除量占總去除量的比例都達到92%以上，證明可提取態(tài)重金屬的去除量可以決定化學提取對重金屬的去除總量。

(3)土壤中重金屬可提取態(tài)含量高，化學提取需要更長的時間才能達到平衡。

(4)難提取態(tài)的重金屬在環(huán)境中的遷移性很低,對環(huán)境的危害小,又難以被化學提取，我們希望，在今后重金屬化學修復的研究中，能夠找到更合適的評價指標來代替重金屬整體去除率作為修復的評價指標。

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Influence of heavy metal speciation in soils on chemical extraction

Zang Xiaolong1, Gu Qingbao2, Meng Ke1, Sadia Qayyum1, Peng Changsheng1*

(1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.State Key Lab of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

The proportions of heavy metal in different fractions varies in different soils,the fraction distribution of heavy metals not only determine the degree of pollution, but influence the remediation effect to a large extent. However, there is less research on the heavy metal distribution on extraction efficiency currently. In this study, heavy metal species in the soil were investigated by the modified European Community Bureau of Reference (BCR) sequential extraction. To compare the heavy metal extraction effect in Pb and Cr real contaminated soil (A1 and B1) and artificially contaminated soil(A2 and B2),seven agents named CaCl2, HCl, NaOH, citric acid、ethylenediamine tetraacetate acid(EDTA), DL-2-(2-carboxymethyl) nitrilotriacetic(GLDA) and saponin were tested.With the aim of determining the influence of heavy metals fraction distribution on extraction efficiency in real and artificial soil, EDTA flasks washing experiment was conducted. We can see that the percentage of heavy metal in extractable fraction in A1 and B1 were 88.07 % and 79.81% higher than that of A2 and B2(80.80% and 37.55%). The removal efficiency of EDTA for A1, A2, B1 and B2 were 80.09%, 89.80%, 24.22% and 53.63%,which was the best performance in the seven eluents. All the eluents performed better removal efficiency on A2 and B2 than A1 and B1. This proves the higher extractable fraction proportion, the higher extraction efficiency of heavy metals. The redistribution of the fractions after chemical extraction can indicate that the removal efficiency of extractable fraction can determine the overall extraction efficiency.

soil; heavy metal;chemical extraction; species

中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室開放課題項目(SKLECRA2013FP12),國家海洋局公益性項目(201105020)

2016-11-15; 2016-12-19修回

臧小龍(1989-)，男，碩士研究生，E-mail：848041564@qq.com

彭昌盛(1972-)，男，博士，博導，研究方向：環(huán)境污染治理技術、水環(huán)境保護與水資源化技術，E-mail:cspeng@ouc.edu.cn

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