重金屬污染土壤修復中鈍化材料的應用研究

王燕芳+陳清艷

摘 要：重金屬被美國環境保護署列為優先污染物，在全世界使用的70000余種化學品中，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，由于人類活動的大規模排放，更使得重金屬污染問題成為地方、區域甚至全球尺度的問題。為了解決這一世界性問題，世界各國都開展了大量的研究，下文對重金屬污染土壤修復中鈍化材料的應用進行了分析探討，僅供參考。

關鍵詞：金屬 污染 土壤 鈍化材料

一、土壤重金屬鈍化材料分類

1、有機鈍化材料

有機鈍化材料常用的主要包括有機堆肥、城市污泥、畜禽糞便等。研究發現，在土壤Cu濃度較低時加入有機鈍化材料，降低土壤遲滯系數，抑制土壤吸附能力，促進土壤解吸能力；而在土壤Cu高濃度時增加遲土壤滯系數，促進土壤吸附能力，抑制土壤解吸能力；在研究中發現溶解性有機物能明顯的抑制對重金屬Cd的吸附作用。溶解性有機物提高Pb在土壤中的移動性，抑制其吸附。由于對土壤吸附能力影響因素比較多，吸附機制比較復雜，一般是幾方面的綜合作用影響溶解性有機物對土壤重金屬的吸附。因此，在使用有機物質進行土壤重金屬修復時要根據重金屬的種類和濃度合理添加有機物料，以達到修復的效果。

2、金屬及金屬氧化物材料

常用的含鐵物質主要有零價鐵和硫酸亞鐵鹽，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，但所導致的土壤酸化問題不容忽視，土壤酸化誘導土壤中已固定的Cd、Cu、Zn等重新釋放出來，必須通過堿性物質如石灰控制土壤pH變化。與硫酸亞鐵相比，零價鐵在土壤中轉化成氧化物的過程較慢，生成氧化物的量較多，不會引起土壤酸化，從長期修復效果穩定性看零價鐵更可取。但已有的報道顯示，零價鐵多用于修復可變電荷的重金屬As、Cr等，而在Cu、Cd等的修復中較為少見。在鐵錳氧化物中化學形態包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅶ等4種價態，在自然環境中比較穩定的是Ⅱ價和Ⅳ價，且可以在可溶的低價態（還原態）和難溶的高價態（氧化態）之間轉化，由此可見，鐵錳氧化物對可變價態的重金屬As、Cr、U有一定的修復效果。

3、生物炭

生物炭對重金屬的吸附固定機制主要有以下4個方面：（1）使土壤的pH值升高進而促進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，從而降低重金屬離子的活性和移動性；（2）離子交換和陽離子-π作用，有研究表明離子交換和陽離子-π作用可能是玉米秸稈炭對Cd吸附的2種最主要的機制；（3）與生物炭表面官能團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。

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素高的硬木等為原料的生物炭堿性更高，對重金屬的鈍化能力相對更好，而且C含量較低。對比大豆秸稈生物炭和松針生物炭對土壤中Pb和Cu的鈍化效果，結果顯示，大豆秸稈生物炭對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砂壤中Cd的鈍化作用，兩者表現出不同的特點。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

有研究發現，當使用同種原料時，低溫碳化產物對重金屬的最大吸附量高于高溫碳化產物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用前景，結果表明，隨著碳化溫度的升高，生物炭的極性下降。在300～600℃內，溫度越低，制備的生物炭對重金屬離子具有越強的鈍化能力。

三、展望

土壤重金屬的修復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、有機物質、金屬和金屬氧化物、生物炭及新型材料。幾種類型的修復材料在固定土壤重金屬的效果不同，固定機理也不盡相同。在石灰和碳酸鹽礦物修復材料中，石灰的修復效果要明顯優于其他碳酸鹽礦物材料，而且CaCO3和MgCO3等礦物在土壤中移動性較差，因此在此類修復劑中，石灰效果是最好的。含磷材料中，考慮到應盡量選擇天然物質或者工農業廢棄物以及減小施用中磷流失風險的原則，氟磷灰石、羥基磷灰石、鈣鎂磷肥和含磷污泥是較好的選擇。據已有的文獻報道，氟磷灰石和羥基磷灰石的修復效果較優于鈣鎂磷肥，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，按經濟性而言，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際應用中較有實際性。金屬及金屬氧化物中的納米Fe、FeSO4、Fe2（SO4）3等主要用于可變價態的重金屬的鈍化，按照經濟性和選擇天然物質的原則，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。關于有機質對土壤重金屬的固定作用的報道結果并不一致，部分研究表明有機堆肥、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踐中也有一定的效果，通過文獻報道可知，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%以上才會起到作用，在5%時才會有比較好的效果。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、植物多酚物質也有一定的效果，但是這些材料都存在一個比較致命的缺點，那就是合成較困難、價格高，在達到同等鈍化效果時的添加量并不低于普通材料，因此要想將這些材料用于實踐，最主要的是克服合成困難、價格昂貴的問題。

結束語

由于人類對自然資源的大規模攫取，加之工業化和農業現代化進程的加快，使土壤污染問題越來越凸顯出來。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食物鏈進入體，從而危害人類健康。

參考文獻

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