環境磁學對重金屬污染監測的研究進展

劉紅斌

（山西省長治市武鄉縣環境監測站， 山西 武鄉 046300）

在我國社會發展、產業結構調整和經濟發展方式轉變的進程中，城市環境質量也不斷遭受到不同污染的侵襲，尤其遺留下大量重金屬污染場地，這些重金屬污染元素包括毒性及危害性較大的Hg、Cd、Pd 等，因此亟需進行監測、評估與治理[1]。環境監測是確定環境質量或污染程度及其變化趨勢的方法，進行環境監測是開展一切環境工作的前提。然而，對重金屬污染監測而言，單純采用化學方法具有一定局限性，難以快速監測出重金屬污染的狀況[2]。環境磁學是利用古地磁學和巖石磁學的技術與方法，去研究巖石磁性與環境變化的關系的一門新興的邊緣學科。目前，環境磁學方法以其簡便、快捷、經濟、無害以及靈敏、信息大（包括磁性礦物的種類、含量、粒度等）等特點，在城市重金屬污染研究中廣為應用[3]。本文主要通過文獻調研，綜述環境磁學對重金屬污染監測中的應用與研究進展，探討環境磁學方法對重金屬污染監測研究中的發展趨勢。

1 地表重金屬的主要來源

工業化和城市化的快速發展，為人類生活帶來極大便利的同時，也加劇了城市土壤中重金屬污染的惡化程度。具體而言，城市地表重金屬來源復雜多樣，主要分為自然源和人為源。其中，人為源相對比較復雜，是導致地表重金屬暴露的重要原因。據大量研究表明，地表重金屬的主要來源如圖1 所示[4]。

同時，有研究發現，地表中的Mn、V、Ni 等重金屬大多屬于自然源；Cu、Pb、Zn 主要源于汽車交通污染，Zn 主要來源于汽車輪胎磨損所產生的粉塵，Cu、Pb 主要來自于尾氣[5]。

圖1 地表重金屬的主要來源

2 環境磁學的產生與發展

城市土壤質量退化會對人類健康和生態系統造成嚴重威脅，探究城市土壤污染程度及其潛在的毒性金屬來源至關重要。環境磁學是基于磁化率和巖石磁參數變化的研究方法，研究發現，人類活動會釋放出大量強烈的磁性顆粒，且其與重金屬之間存在較好的相關性，同時人類活動產生的磁性粒子可能包含其起源信息，因此可以利用磁測量來追蹤磁性顆粒的目標點，進行監測大規模污染及識別工業污染來源類型[5]。此外，磁性測量具有簡單、快速、成本低、無破壞性，可替代相對復雜、耗時、昂貴的傳統地球化學方法。近十多年來，作為一種適合的替代技術，環境磁學監測重金屬污染在應用方面取得了成功，在環境污染監測、污染源判斷等方面得到廣泛應用。如，工業冶煉粉塵、飛灰等中含有較大量的鐵，呈現的磁性較高，這些粉塵積累導致土壤表面磁化率顯著增強；磁測特別適宜大范圍污染快速監測，判斷污染分布和程度；磁測對PM2.5 十分敏感，可以實現連續動態快速監測大氣污染；在小范圍場地中，磁測適宜現場原位判斷污染區域和水平等[6]。

3 環境磁學監測重金屬污染的理論基礎

冶金、煤炭燃燒等在作業過程中均會產生細小磁性顆粒物質，道路交通活動也會釋放出大量重金屬和強磁性的含鐵粒子。磁性顆粒物質通常與重金屬具有一定關系，而不同來源的工業粉塵具有不同的磁特征，由于磁測的敏感性，即使微量磁顆粒的存在，磁測量也可以容易的檢測到，因此磁測量可以監測其他化學方法監測限以下的濃度，為監測重金屬污染水平和判斷其來源提供幫助[7]。

各種工業排放污染物的分析證明，各種工業和人類活動排放的重金屬與磁性顆粒同時排放，如燃燒產生的磁性顆粒含有高濃度重金屬，即磁性顆粒是重金屬的強吸附劑和載體。環境磁學監測重金屬污染就是建立在磁性顆粒是重金屬的吸附劑和載體的基礎上，利用磁性與污染物濃度關系，可以定量監測重金屬污染狀況，因此磁顆粒可作為評估重金屬污染的替代指標，根據二者濃度的定量關系可定量環境介質中重金屬污染水平[8]。

值得注意的是，雖然大量的研究建立了污染土壤中磁性與重金屬的定量關系，但是這種關系是建立在假說基礎上，尚缺乏實驗證明，從分子水平解釋氧化鐵-重金屬離子的化學健、結合方式等，闡明重金屬的污染途徑和環境風險，針對性地提出治理途徑，是國內外一直致力解決解決的難題之一[9]。

4 土壤和灰塵中重金屬污染的磁學監測

4.1 土壤和灰塵中磁性顆粒與溯源追蹤

作為重金屬污染物載體的磁性顆粒具有形成過程和機制的指紋，因此磁性指紋為追蹤重金屬的環境行為和去向提供了新途徑。Sapkota et al.，2012 研究顯示，大氣沉降是土壤重金屬污染源之一，鋼鐵廠等污染源大氣粉塵對土壤污染主要發生在表土5~10 cm 范圍；燃煤電廠排放的球粒狀磁性顆粒在土壤中十分穩定，利用磁性顆粒在土壤剖面的垂直移動監測可反映污染歷史[10]。

了解污染物在土壤環境中的行為和歸趨，是有針對性地開展污染治理的前提。人為成因磁性顆粒具有污染源和形成過程的指紋信息，然而土壤中污染成因的磁性顆粒的行為受到許多因素影響，且現有重金屬的歸趨研究多是建立在含量和化學形態分析上，因此明確污染成因磁性顆粒在不同條件下的變化和影響因素，利用其與自然環境中的原生及次生磁性礦物存在的顯著差異，以及磁測技術監測污染物在土壤中的行為和歸趨，建立利用磁性指紋監測重金屬污染過程和歸趨的磁示蹤技術，反映重金屬在土壤剖面中的遷移情況和污染歷史等信息，對闡明各種工業和人為活動污染有獨特的優勢和應用價值，有利于針對性地提出污染阻控和治理的途徑[11]。

4.2 土壤和灰塵中磁學特性與重金屬的定量關系

近年來，國內外都試圖解決磁性與重金屬含量定量關系的關鍵問題，同時通過分離各種污染土壤和污染物中的磁性顆粒，證明了污染土壤中磁性顆粒對重金屬的富集作用[11]。在磁性載體鑒別方面，環境磁學是表征氧化鐵、硫化鐵或碳酸鐵等晶格中Fe2+和Fe3+化學變化的重要手段，在物質來源追蹤、環境污染等領域發揮了積極作用；掃描電鏡-能譜技術是磁性礦物組成和形態研究的主要技術，且具有操作簡單、分析速度快以及結果直觀等特點，可提供磁性顆粒的來源和形成過程等信息，為土壤中重金屬污染監測與分析提供有力的基礎資料[12]。此外，有許多方法用于土壤中磁性礦物鑒別，如XRD、化學選擇性溶解等，然而這些方法仍存在一定的缺陷，無法提供不同磁性礦物-重金屬相互作用機制的信息[10]。

現代高空間分辨率的顯微技術和高能高強度光譜技術的結合，使建立單個顆粒的重金屬指紋圖譜成為可能，解決了基于總體樣品分析方法的可信度減弱的問題。大氣污染研究中，同步輻射X-射線熒光分析（μ-XRF）已應用于PM2.5 的元素分析；軟X射線磁圓二色（XMCD）技術是表征和深入研究磁性特性的重要技術手段；同步輻射X 射線吸收結構譜（XAS）技術在分子水平上給出目標元素周圍的局部結構和化學信息，成為環境中固相形態表征及固-液界面反應機制中的新技術；同步輻射μ-XRF 及XAS 技術是研究土壤中重金屬形態的重要手段。但由于測試機時的限制等原因，同步輻射技術尚未成為環境土壤學領域的常規方法[13]。

4.3 土壤和灰塵中重金屬污染的磁學監測

大量研究證明，各種工業和人類活動排放的粉塵富含磁性顆粒，受其影響的環境物質如土壤等均表現出顯著的磁性增強現象，能反映土壤污染的形成、空間分布、歷史演變等[14]。同時，由于不同起源的磁性顆粒具有不同的磁信號，根據不同起源磁性顆粒的含量、礦物種類、粒徑等特征，使得這些磁信號構成了有助于污染物溯源的“磁性指紋”。如，利用污染土壤和粉塵的磁性參數及組合，結合不同工業過程排放的磁顆粒的特征，可以鑒別與區分不同污染成因的磁信息，能較好地區分磁性顆粒的成因。相關研究表明，滯塵樹葉、地衣等的磁性與大氣PM 濃度密切相關；對各種灰塵的定量分析發現，灰塵的磁信號反映了重金屬的污染范圍、程度以及污染源；不同污染成因的磁顆粒蘊含著磁性起源的指紋信息，如燃煤、鋼鐵、水泥工業排放的磁顆粒，利用磁性指紋建立污染物磁信息數據庫，能有效地進行污染溯源、污染范圍與程度監測及歷史反演等，為磁測監測環境污染提供科學依據[15]。當前，國內外對燃煤、交通、鋼鐵工業排放的污染物磁信息已通過各種各樣的手段、方法及經驗驗證等有了系統研究，需要開展對電子垃圾處理、生物質燃燒等產生的污染物磁信息研究，提出不同成因磁顆粒在結構、形態、濃度及粒徑等上的區別，以判斷其來源，以針對性地提出污染阻控和治理的途徑[16]。

另外，現有的各種環境介質磁測反映的是一種“靜態”信息，而污染物在環境中“動態”磁信息及變化尚未被認識和利用，為此未來可以考慮建立追蹤污染過程和行為的新方法，以進一步更準確全面的為磁測監測環境污染提供科學依據。

5 結語

土壤重金屬污染是造成土壤污染的主要原因，已成為威脅人體健康、公共安全和社會穩定的重要因素之一。環境磁學方法以其簡便、快捷、經濟、無害以及靈敏、信息大（包括磁性礦物的種類、含量、粒度等）等特點，在城市重金屬污染研究中廣為應用。然而，現有的各種環境介質磁測反映的是一種“靜態”信息，而污染物在環境中“動態”磁信息及變化尚未被認識和利用，為此未來可以考慮建立追蹤污染過程和行為的新方法，以進一步更準確全面的為磁測監測環境污染提供科學依據。