重金屬污染土壤修復(fù)中鈍化材料的應(yīng)用研究

王燕芳+陳清艷

摘 要：重金屬被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署列為優(yōu)先污染物，在全世界使用的70000余種化學(xué)品中，鉛、汞、砷和鎘的毒性分別被排在第一、第二、第三和第六位。近年來(lái)，由于人類活動(dòng)的大規(guī)模排放，更使得重金屬污染問(wèn)題成為地方、區(qū)域甚至全球尺度的問(wèn)題。為了解決這一世界性問(wèn)題，世界各國(guó)都開(kāi)展了大量的研究，下文對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)中鈍化材料的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討，僅供參考。

關(guān)鍵詞：金屬 污染 土壤 鈍化材料

一、土壤重金屬鈍化材料分類

1、有機(jī)鈍化材料

有機(jī)鈍化材料常用的主要包括有機(jī)堆肥、城市污泥、畜禽糞便等。研究發(fā)現(xiàn)，在土壤Cu濃度較低時(shí)加入有機(jī)鈍化材料，降低土壤遲滯系數(shù)，抑制土壤吸附能力，促進(jìn)土壤解吸能力；而在土壤Cu高濃度時(shí)增加遲土壤滯系數(shù)，促進(jìn)土壤吸附能力，抑制土壤解吸能力；在研究中發(fā)現(xiàn)溶解性有機(jī)物能明顯的抑制對(duì)重金屬Cd的吸附作用。溶解性有機(jī)物提高Pb在土壤中的移動(dòng)性，抑制其吸附。由于對(duì)土壤吸附能力影響因素比較多，吸附機(jī)制比較復(fù)雜，一般是幾方面的綜合作用影響溶解性有機(jī)物對(duì)土壤重金屬的吸附。因此，在使用有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行土壤重金屬修復(fù)時(shí)要根據(jù)重金屬的種類和濃度合理添加有機(jī)物料，以達(dá)到修復(fù)的效果。

2、金屬及金屬氧化物材料

常用的含鐵物質(zhì)主要有零價(jià)鐵和硫酸亞鐵鹽，在砷污染土壤使用硫酸亞鐵鹽常常獲得比較明顯的固定效果，但所導(dǎo)致的土壤酸化問(wèn)題不容忽視，土壤酸化誘導(dǎo)土壤中已固定的Cd、Cu、Zn等重新釋放出來(lái)，必須通過(guò)堿性物質(zhì)如石灰控制土壤pH變化。與硫酸亞鐵相比，零價(jià)鐵在土壤中轉(zhuǎn)化成氧化物的過(guò)程較慢，生成氧化物的量較多，不會(huì)引起土壤酸化，從長(zhǎng)期修復(fù)效果穩(wěn)定性看零價(jià)鐵更可取。但已有的報(bào)道顯示，零價(jià)鐵多用于修復(fù)可變電荷的重金屬As、Cr等，而在Cu、Cd等的修復(fù)中較為少見(jiàn)。在鐵錳氧化物中化學(xué)形態(tài)包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅶ等4種價(jià)態(tài)，在自然環(huán)境中比較穩(wěn)定的是Ⅱ價(jià)和Ⅳ價(jià)，且可以在可溶的低價(jià)態(tài)（還原態(tài)）和難溶的高價(jià)態(tài)（氧化態(tài)）之間轉(zhuǎn)化，由此可見(jiàn)，鐵錳氧化物對(duì)可變價(jià)態(tài)的重金屬As、Cr、U有一定的修復(fù)效果。

3、生物炭

生物炭對(duì)重金屬的吸附固定機(jī)制主要有以下4個(gè)方面：（1）使土壤的pH值升高進(jìn)而促進(jìn)重金屬離子形成難溶性的碳酸鹽、磷酸鹽或氫氧化物沉淀或者增加土壤表面活性位點(diǎn)，從而降低重金屬離子的活性和移動(dòng)性；（2）離子交換和陽(yáng)離子-π作用，有研究表明離子交換和陽(yáng)離子-π作用可能是玉米秸稈炭對(duì)Cd吸附的2種最主要的機(jī)制；（3）與生物炭表面官能團(tuán)形成了特定的金屬離子配合物；（4）表面吸附，研究玉米秸稈生物炭對(duì)重金屬離子Hg2+、As3+、Pb2+和Cd2+等的吸附為親和力極弱的非靜電物理吸附，是可逆吸附；金屬離子水化熱越大，越不易與生物炭表面位反應(yīng)。

二、影響土壤重金屬鈍化效果的因素

1、原料種類

通常情況下，使用作物秸稈、藻類、禽畜糞便為原料的生物炭比使用含木質(zhì)素高的硬木等為原料的生物炭堿性更高，對(duì)重金屬的鈍化能力相對(duì)更好，而且C含量較低。對(duì)比大豆秸稈生物炭和松針生物炭對(duì)土壤中Pb和Cu的鈍化效果，結(jié)果顯示，大豆秸稈生物炭對(duì)Pb和Cu的固定化效果高于松針生物炭。XU等[23]320-326研究了豬糞生物炭和小麥秸稈生物炭對(duì)砂壤中Cd的鈍化作用，兩者表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。豬糞生物炭的最大吸附量大約是小麥秸稈生物炭的10～15倍。施用豬糞生物炭的砂壤中，Cd的最大吸附量隨生物炭的施用量增加而增加，而施用小麥秸稈生物炭的土壤則相反。

2、碳化溫度

有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用同種原料時(shí)，低溫碳化產(chǎn)物對(duì)重金屬的最大吸附量高于高溫碳化產(chǎn)物325。玉米秸稈、松木片和豬糞在不同碳化溫度下制備的生物炭的特性和作為土壤鈍化材料的潛在應(yīng)用前景，結(jié)果表明，隨著碳化溫度的升高，生物炭的極性下降。在300～600℃內(nèi)，溫度越低，制備的生物炭對(duì)重金屬離子具有越強(qiáng)的鈍化能力。

三、展望

土壤重金屬的修復(fù)材料主要分為以下幾種：石灰和碳酸鹽礦物、含磷材料、含硅材料、有機(jī)物質(zhì)、金屬和金屬氧化物、生物炭及新型材料。幾種類型的修復(fù)材料在固定土壤重金屬的效果不同，固定機(jī)理也不盡相同。在石灰和碳酸鹽礦物修復(fù)材料中，石灰的修復(fù)效果要明顯優(yōu)于其他碳酸鹽礦物材料，而且CaCO3和MgCO3等礦物在土壤中移動(dòng)性較差，因此在此類修復(fù)劑中，石灰效果是最好的。含磷材料中，考慮到應(yīng)盡量選擇天然物質(zhì)或者工農(nóng)業(yè)廢棄物以及減小施用中磷流失風(fēng)險(xiǎn)的原則，氟磷灰石、羥基磷灰石、鈣鎂磷肥和含磷污泥是較好的選擇。據(jù)已有的文獻(xiàn)報(bào)道，氟磷灰石和羥基磷灰石的修復(fù)效果較優(yōu)于鈣鎂磷肥，而含磷污泥主要用于固定土壤中Pb和Cr的研究，因此在應(yīng)用中可考慮使用氟磷灰石、羥基磷灰石和含磷污泥。含硅材料種類較多，按經(jīng)濟(jì)性而言，含有硅酸鹽的粘土礦物、含有硅的污泥以及含硅的粉煤灰等在實(shí)際應(yīng)用中較有實(shí)際性。金屬及金屬氧化物中的納米Fe、FeSO4、Fe2（SO4）3等主要用于可變價(jià)態(tài)的重金屬的鈍化，按照經(jīng)濟(jì)性和選擇天然物質(zhì)的原則，針鐵礦、水合氧化錳、錳鉀礦、水鈉錳礦、赤泥、爐渣在鈍化Cu、Cd中較有可行性。關(guān)于有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤重金屬的固定作用的報(bào)道結(jié)果并不一致，部分研究表明有機(jī)堆肥、畜禽糞便、城市污泥可以降低土壤重金屬的活性。生物炭在重金屬的鈍化實(shí)踐中也有一定的效果，通過(guò)文獻(xiàn)報(bào)道可知，同等條件下，生物炭的鈍化效果要低于石灰而高于沸石，同時(shí)已有的研究中，生物炭的添加量通常比較高，一般要在1%以上才會(huì)起到作用，在5%時(shí)才會(huì)有比較好的效果。新型材料種類眾多，除我們較熟悉的納米材料以外，介孔材料、功能膜材料、植物多酚物質(zhì)也有一定的效果，但是這些材料都存在一個(gè)比較致命的缺點(diǎn)，那就是合成較困難、價(jià)格高，在達(dá)到同等鈍化效果時(shí)的添加量并不低于普通材料，因此要想將這些材料用于實(shí)踐，最主要的是克服合成困難、價(jià)格昂貴的問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

由于人類對(duì)自然資源的大規(guī)模攫取，加之工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，使土壤污染問(wèn)題越來(lái)越凸顯出來(lái)。在各類污染中，重金屬污染是最重要的污染類型之一，土壤中的重金屬被植物體吸收后很容易通過(guò)食物鏈進(jìn)入體，從而危害人類健康。

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