土壤中的重金屬形態(tài)化學(xué)分析策略

黃彬,宋玉玉

(中創(chuàng)國(guó)科科學(xué)儀器(山東)有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,重金屬被廣泛地應(yīng)用在科技、化學(xué)領(lǐng)域中。因此,我國(guó)一直以來(lái)都高度重視重金屬的提取。對(duì)重金屬形態(tài)分析方法也一直是大多數(shù)科研人員的主攻方向之一。除此以外,土壤中的重金屬還與我國(guó)的環(huán)保事業(yè)有著密切的關(guān)系,因?yàn)橹亟饘俦旧韼в卸拘?它可以通過(guò)食物鏈被動(dòng)植物吸收,最終影響了動(dòng)植物的健康成長(zhǎng)[1]。因此,對(duì)重金屬的提取以及重金屬形態(tài)的分析具有積極的意義。

1 土壤中重金屬存在的化學(xué)形態(tài)

土壤中重金屬存在的化學(xué)形態(tài)有很多種,如有機(jī)結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)、無(wú)定型氧化鐵結(jié)合態(tài)等等。通過(guò)對(duì)土壤中重金屬存在的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),工作人員可以利用相關(guān)的技術(shù)和方法對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行提取,并對(duì)重金屬的存在形態(tài)進(jìn)行分析和探究。土壤中的重金屬會(huì)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉淀、吸附或者凝聚而形成,由于重金屬沉淀或者凝聚的時(shí)間不同,因此重金屬所表現(xiàn)出來(lái)的化學(xué)形態(tài)也呈現(xiàn)出不同的特性。這也就意味著對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行分析與探究時(shí)不能一概而論,必須根據(jù)重金屬不同的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行科學(xué)的有針對(duì)性地區(qū)分。通過(guò)了解相關(guān)的資料,會(huì)發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬所呈現(xiàn)出來(lái)的化學(xué)形態(tài)與重金屬本身就具有的特性存在緊密的關(guān)系,而且還會(huì)受到遷移性和可給性的影響。

2 土壤中重金屬污染的主要來(lái)源

目前,在土壤污染中,重金屬污染一直占據(jù)著非常重要的地位,為了有效地解決土壤污染問(wèn)題,就必須著重解決重金屬污染的問(wèn)題。土壤中的重金屬主要是指銅、汞、砷、鉻等等,當(dāng)這些重金屬元素的含量一旦超過(guò)一定的數(shù)值,就會(huì)使得土壤的質(zhì)量發(fā)生嚴(yán)重的變化,不僅會(huì)影響植物的健康生長(zhǎng),而且通過(guò)食物鏈還會(huì)影響其他動(dòng)植物的身體健康,進(jìn)而給人們的身體健康也造成了嚴(yán)重的威脅。不僅如此,土壤中重金屬含量超標(biāo),還會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響,特別是一些農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,重金屬所帶來(lái)的危害性是十分嚴(yán)重的。因此,國(guó)家相關(guān)部門(mén)必須對(duì)土壤中重金屬問(wèn)題進(jìn)行高度的重視,并且對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行有效的化學(xué)分析。

就目前土壤中重金屬來(lái)源來(lái)說(shuō),主要有自然來(lái)源和人為來(lái)源兩種類型。首先,自然來(lái)源。而對(duì)自然來(lái)源進(jìn)行細(xì)分以后又可以分為大氣來(lái)源和土壤來(lái)源兩種。大氣來(lái)源是指重金屬會(huì)通過(guò)降雨或者降雪等方式,從而使其附著在土壤之中。通過(guò)長(zhǎng)年累月地積累,土壤中重金屬的含量就會(huì)越來(lái)越高,最終給土壤帶來(lái)了重金屬污染問(wèn)題。土壤來(lái)源與塵土母巖有著非常密切的關(guān)系,土壤中成土母巖的數(shù)量越多,也就意味著重金屬的含量越來(lái)越高。其次,人類活動(dòng)為土壤帶來(lái)了重金屬。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,土壤是重要的前提條件和依托,但是在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中,農(nóng)戶會(huì)使用大量的化肥和農(nóng)藥,這就導(dǎo)致土壤逐漸酸化,而土壤酸化最終給重金屬帶來(lái)了較強(qiáng)的活性,在一定程度上進(jìn)一步加重了重金屬污染問(wèn)題[2]。除此以外,工業(yè)生產(chǎn)也會(huì)對(duì)土壤重金屬污染產(chǎn)生密切的關(guān)系。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)各種能源的需求量正在不斷地攀升,尤其是石油和煤炭這樣的不可再生資源,雖然這些資源的應(yīng)用推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展,但是卻給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害,對(duì)石油和煤炭這樣的資源進(jìn)行采集時(shí)所運(yùn)用的器械會(huì)排放大量的污染物,進(jìn)一步加重了土壤重金屬污染問(wèn)題。

總而言之,土壤中重金屬的含量受到自然和人為活動(dòng)的影響,其中人為活動(dòng)所帶來(lái)的影響更加重要。雖然人類活動(dòng)是為了獲得更好的生存,但是在人類發(fā)展過(guò)程中絕不能過(guò)度地破壞生態(tài)環(huán)境,要尊重自然界的發(fā)展規(guī)律,與自然環(huán)境友好發(fā)展,人類在利用土壤資源時(shí)要避免對(duì)其產(chǎn)生破壞和污染,如此才可以獲得長(zhǎng)久、穩(wěn)定的發(fā)展。

3 提取重金屬形態(tài)的方法

土壤中的情況非常復(fù)雜,土壤組成元素的數(shù)量也非常多,而且大多數(shù)都是雜亂無(wú)章,工作人員直接在土壤中進(jìn)行重金屬形態(tài)的研究顯然缺乏可行性,因?yàn)槠渲械挠绊懸蛩貙?shí)在過(guò)多,所以工作人員為了更加便捷地對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行研究就必須將土壤中的重金屬元素提取出來(lái)。目前,對(duì)土壤中重金屬元素進(jìn)行提取時(shí)所運(yùn)用的方法主要有兩種,單級(jí)提取法和連續(xù)多級(jí)提取法,下文便著重介紹這兩種方法。

3.1 單級(jí)提取法

具體來(lái)說(shuō),單級(jí)提取法就是運(yùn)用各種不同的化學(xué)試劑對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行提取,這種方法主要是工作人員重金屬的不同性質(zhì)而變化化學(xué)試劑。在實(shí)踐中,最常使用的化學(xué)試劑有四大類:酸試劑、緩沖劑、中性鹽、螯合劑。除此以外,運(yùn)用這種方法所提取的重金屬元素都能夠被動(dòng)植物吸收和利用,這些重金屬元素會(huì)對(duì)生物的活性產(chǎn)生有效的影響,也因此被稱為“有效態(tài)”。

3.2 連續(xù)多級(jí)提取法

與單極提取法相比,連續(xù)多級(jí)提取法這種方式比較復(fù)雜,所耗費(fèi)的精力和時(shí)間也更長(zhǎng),但這種方法也具有一定的優(yōu)點(diǎn)。首先,連續(xù)多級(jí)提取法最常用的方法就是重金屬萃取方式。這種方法是利用重金屬不同的反應(yīng)特性從而利用萃取劑使重金屬具備更好的化學(xué)專一性和選擇性。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是只需要運(yùn)用萃取劑就可以對(duì)土壤中的重要基礎(chǔ)元素進(jìn)行萃取,而且這種方法的應(yīng)用還能夠有效地去除土壤中的那些多種化合物[3]。其次,連續(xù)多級(jí)提取法還可以模擬真實(shí)環(huán)境。這種方式能夠?qū)ψ匀画h(huán)境中出現(xiàn)的各種條件進(jìn)行有效的模擬,并利用由弱到強(qiáng)的原則對(duì)土壤中的不同污染物進(jìn)行有效的溶解,使土壤中原本比較復(fù)雜的元素逐漸變得單一、簡(jiǎn)單,也就是說(shuō)最初運(yùn)用連續(xù)多級(jí)提取法時(shí)環(huán)境比較復(fù)雜,但是最終卻可以得到簡(jiǎn)潔明了的結(jié)果。目前,提取土壤中重金屬時(shí)所運(yùn)用的連續(xù)多級(jí)提取法是在原有的連續(xù)5步提取法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。連續(xù)五步提取法主要是將土壤中的重金屬分為五種形態(tài),通過(guò)對(duì)這五種形態(tài)進(jìn)行有效的匯總就形成了目前我們所使用的連續(xù)多級(jí)提取法。

3.3 提取法存在的不足

在提取土壤中的重金屬時(shí),無(wú)論是運(yùn)用單級(jí)提取法還是連續(xù)多級(jí)提取法都存在著一定的缺陷。首先,對(duì)于單級(jí)提取法來(lái)說(shuō),由于這種方法只是一種一次性的提取方式,雖然對(duì)土壤中重金屬元素的生物活性有著非常好的作用,但是對(duì)重金屬元素進(jìn)行轉(zhuǎn)化和遷移時(shí)這種方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。其次,對(duì)于連續(xù)多級(jí)提取法來(lái)說(shuō),這種方法雖然能夠?qū)ν寥乐兄亟饘僭剡M(jìn)行有效的遷移和轉(zhuǎn)化,但是,在運(yùn)用連續(xù)多級(jí)提取法時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),而且連續(xù)多級(jí)提取法的步驟也非常復(fù)雜。不僅如此,在實(shí)際中運(yùn)用該種方法時(shí),所取得的重現(xiàn)性也不是很理想,這也就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用同一種連續(xù)多級(jí)提取法對(duì)土壤中的重金屬元素進(jìn)行提取,結(jié)果所獲得的數(shù)據(jù)卻沒(méi)有對(duì)比性[4]。這也就是說(shuō)運(yùn)用連續(xù)多級(jí)提取法時(shí),必須對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行假設(shè)和模擬,在非自然環(huán)境下是無(wú)法提取土壤中的重金屬元素,因此,連續(xù)多級(jí)提取法的實(shí)用性還是非常弱的。

4 對(duì)土壤中重金屬元素的原位形態(tài)分析的方式

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了各種新型的顯微鏡技術(shù),在對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)已經(jīng)運(yùn)用許多新的知識(shí),如形態(tài)機(jī)構(gòu)分析技術(shù)。這些新知識(shí)的應(yīng)用為土壤中重金屬形態(tài)化學(xué)分析作出了巨大的貢獻(xiàn)。如目前,對(duì)沉積物重金屬元素形態(tài)進(jìn)行分析與鑒定時(shí)就可以利用電子顯微鏡,通過(guò)應(yīng)用新技術(shù),可以將一些固態(tài)重金屬有效地表征出來(lái),如鋅尖晶石、鉛黃鉀鐵礬等等。通過(guò)對(duì)一些礦石進(jìn)行分析會(huì)得出,他們都是以納米級(jí)的形式存在土壤之中,而且在土壤中的分布極不均勻。除此以外,研究人員在對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)還可以運(yùn)用微區(qū)X線衍射技術(shù),工作人員運(yùn)用該技術(shù)能夠有效地發(fā)現(xiàn)重金屬元素在土壤中的分布與頁(yè)硅酸鹽和鐵氧化物有著十分緊密的關(guān)系。雖然上述研究對(duì)土壤中重金屬元素的化學(xué)形態(tài)提供了非常重要的研究依據(jù),但是由于頁(yè)硅酸鹽,在自然條件下會(huì)被其他的物質(zhì)覆蓋和包圍,這就意味著工作人員不可能利用這些新技術(shù)成功地獲取到土壤中的重金屬元素。因此,現(xiàn)階段在對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析時(shí),最有效的方法還是將顯微技術(shù)和SXRFS技術(shù)深入地結(jié)合在一起,如此,才能夠有效地對(duì)重金屬元素的形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析。土壤中的各種重金屬元素在面對(duì)X射線時(shí),所吸收的輻射程度不同,而SXRFS技術(shù)正好運(yùn)用了重金屬元素的這種特性,對(duì)土壤中重金屬元素的分布狀況分子結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有效的研究。當(dāng)土壤中的重金屬元素比較集中時(shí),運(yùn)用這種方法就可以顯示出來(lái),重金屬元素集中的地方就會(huì)變成黑色,而黑色純度越高,則表示此地方的重金屬元素濃度越密集。這種方式的運(yùn)用可以使工作人員很容易地分辨出土壤中As、Ni、Fe、Mn的分布位置,并且有效地展示出這些元素之間的關(guān)聯(lián)性。但是由于土壤中重金屬元素非常復(fù)雜,對(duì)重金屬元素形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)有可能會(huì)受到其他元素的影響,如果工作人員想要進(jìn)行圖譜分析就可能非常困難[5]。因此,對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析時(shí),工作人員還需要采取更加精確以及更深層次的方式進(jìn)行研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行分析是一項(xiàng)非常重要的工作,這項(xiàng)工作無(wú)論是對(duì)我國(guó)的科學(xué)研究還是生態(tài)環(huán)境的保護(hù)都具有十分重要的價(jià)值和意義。西方歐美國(guó)家早在很多年前就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行化學(xué)分析,而我國(guó)對(duì)這一工作起步較晚,雖然國(guó)家對(duì)此進(jìn)行了高度的重視,但是想要對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行有效的化學(xué)分析就必須投入大量的人力和財(cái)力。目前,我國(guó)正在大力提倡節(jié)能環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展,在這一理念的推動(dòng)下,我國(guó)必然會(huì)對(duì)土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析作出重大的突破,從而使我國(guó)的土壤更加安全綠色,保障動(dòng)植物的安全成長(zhǎng),也保障我國(guó)人民的身體健康。基于此,本文著重對(duì)土壤中重金屬存在的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行了論述,并闡述了重金屬污染的主要來(lái)源,也對(duì)提取重金屬形態(tài)的方法進(jìn)行了分析,最后提出了土壤中重金屬元素的原位形態(tài)分析法,希望能夠?qū)ν寥乐兄亟饘傩螒B(tài)的化學(xué)分析貢獻(xiàn)一份微薄的力量。