天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料的制備及其在農用地Cd污染修復中的應用研究

王望權

（1.江西省地質局第五地質大隊，江西 新余 338000；2.江西省地質局九0二地質大隊，江西 南昌 330200；3，江西省地質礦產勘查開發局九0二地質大隊，江西 南昌 330200）

工業經濟蓬勃發展的同時，環境的污染衍生出許多問題，其中包括農產品的安全性問題。前些年，中國鎘大米事件鬧得沸沸揚揚，導致社會各界對食品安全問題甚為擔心。據相關數據統計，我國多數礦山、化工產業周邊農田都存在鎘超標問題。中國作為農業大國和人口大國，食品安全是民生大計，直接關乎到每個人的日常生活問題。工業鎘污染導致不少農用地鎘含量超標，種植農作物后農副產品存在鎘超標風險，繼而存在潛在危害人體健康風險。目前土壤鎘污染治理已經成為重要及熱門研究課題之一，本研究以天然含水MgSiO3（海泡石，下稱同）為載體合成新型土壤Cd污染修復劑，研究過程如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗試劑

實驗試劑為 HCl（AR）、H2SO4（AR）、氨水（自制）、無水CH3CH2OH（AR）、NaHB4（AR）、FeSO4·7H2O（AR）、FeCl2（AR）、FeCl3（AR）、NaOH（AR）、HClO4（AR）、HNO3（AR）、HF（AR）、純化天然含水MgSiO3（海泡石，購置于江西某環境科學研究機構）。

1.1.2 實驗土壤

本研究所用土壤采集于江西省新余市渝水區某Cd污染企業附近農田，為農田表層（0～20 cm）耕作層土壤，去除土壤表面秸稈、樹枝、較大顆粒砂石，于室內常溫鼓風烘干、研磨后，經實驗室用100目篩子篩后制備所得實驗室污染土壤樣品。經處理后，污染土壤理化性質如下：重金屬類別為Cd2+（87.2 mg/kg），pH＝5.8，含水率25.6%。

1.1.3 實驗儀器

實驗儀器包括：原子吸收分光光度計（ZCA-100SF，北京中和測通儀器有限責任公司）、pH酸度計（PHS-3C，陜西凱利化玻儀器有限公司）、數顯精密增力電動攪拌器（JJIA200W，上海科興儀器有限公司）、真空干燥箱（無錫展霖環境試驗設備有限公司，DZF-6210C）、永磁鐵（購置于江西某環境科學研究機構，實驗用品級），本研究所用實驗儀器來自于本單位和江西某環境科學研究機構。

1.2 實驗方法

1.2.1 土壤Cd污染新型修復劑天然載體合成

(1)在實驗室精確配置2.0 mol/L的HCl溶液1000 mL。

(2)按照HCl和天然含水MgSiO3固液比1∶8，加入221.3 g海泡石，混合后于35℃環境下充分攪拌24小時。

(3)將攪拌后的混合液進行抽濾，濾餅用實驗室自制蒸餾水進行清洗，直至清洗上清液pH為中性。

(4)將清洗后的固體產物置于真空干燥箱內干燥24小時，即得新型修復劑天然載體。

1.2.2 土壤Cd污染新型修復劑磁性天然載體合成

(1)稱量189.2 g六水氯化鐵（FeCl3·6H2O）固體，加入400 mL去離子水中進行攪拌充分溶解。

(2)稱量所制得修復劑天然載體（酸改性海泡石）12.0 g，加進所配得的氯化鐵溶液中，于65℃環境下攪拌加熱10分鐘。

(3)混合溶液中加入11.2 g七水硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）固體，進行攪拌溶解，控制溶液鐵總濃度為1.5 mol/L，充分攪拌直至混合溶液變為均勻的懸濁液。

(4)向混合懸濁液中均勻緩慢滴加濃氨水溶液，調節溶液為堿性（pH＝10.0～11.0），攪拌反應1小時。

(5)攪拌反應后，將混合溶液置于60℃水域環境下陳化2小時以上，陳化后對混合液進行過濾（抽濾）分離。

(6)濾餅用去離子水洗滌，直至洗滌上清液為中性止，所得固體于65℃真空干燥箱內干燥24小時。

(7)對干燥后固體進行研磨，并經實驗室用100目篩子篩分，即得新型修復劑磁性天然載體。

1.2.3 土壤Cd污染新型修復劑合成

(1)于氮氣保護環境下，將11.2 g FeSO4·7H2O溶于200 mL去離子水中，將所得溶液置于三口燒瓶（500 mL）中，加入納米級天然含水MgSiO3，于常溫條件下攪拌吸附4小時。

(2)向溶液滴加50 mL無水乙醇，攪拌4小時。

(3)取100 mL去離子水（通過NaOH調節pH值為9～10），加入6.0 g NaBH4，制得弱堿性硼氫化鈉溶液。

(4)在氮氣保護環境和轉速2200r/min條件下，將弱堿性硼氫化鈉溶液緩慢滴加至(2)所得溶液中，滴加結束后，繼續攪拌反應2小時。

(5)于55 mT磁場條件下，對混合溶液進行磁選分離，用無水乙醇和無氧去離子水對磁選目的固體進行過濾、洗滌，直至洗滌上清液為中性止。

(6)所得黑色固體于真空干燥箱內80℃干燥，即得目的產物天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料。

1.2.4 新型修復劑合成修復Cd污染土壤實驗

(1)稱10.0 g經處理后的實驗室污染土壤樣品，置于150 mL帶塞三角燒瓶中，滴加去離子水25 mL，通過HCl和NaOH進行調節pH值（約為7.0）。

(2)分別于不同組項實驗中加入所制備土壤Cd污染修復劑（天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料）0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.8 g、1.0 g、1.5 g，于30℃、180 r/min水浴攪拌條件下反應4小時。

(3)通過磁選分選出修復劑和土壤樣品，土壤樣品于110℃真空干燥箱干燥24小時后再研磨，研磨得到修復處理后的土壤樣品。

(4)將處理后的土壤樣品經消解、定容等處理后，用原子吸收分光光度計進行Cd含量測定。

(5)新型修復劑合成修復Cd污染土壤實驗進行多組實驗，結果按照數據處理規范取其均值。

天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料對污染土壤Cd修復效率=（土壤修復前Cd含量-土壤修復后Cd含量）/土壤修復后Cd含量×100%。

2 結果與分析

由下圖表可知，隨著修復劑（天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料）的劑量增加，土壤Cd去除效果提高，整體Cd去除效果與修復劑添加量呈正比關系。當修復劑添加量在0.1～0.8 g時土壤Cd去除效果隨著修復劑添加量的增加而增長明顯，當修復劑添加量大于0.8 g時，土壤Cd去除效果隨修復劑添加量的增加而提高并不明顯，基本趨于平穩狀態。

表1 新型土壤Cd污染修復劑修復效率實驗結果統計表

3 討論

圖1 新型修復劑Cd污染土壤修復效果

本研究以天然含水MgSiO3（海泡石）為載體合成新型土壤Cd污染修復劑，研究結果表明天然含水MgSiO3負載Fe0新型復合材料對土壤Cd污染修復有一定效果，值得進一步深入研究和實際應用。通過本研究可為土壤Cd污染修復研究領域及實際工程應用領域提供相關思路與指導性建議。土壤成分及污染修復機理復雜，本研究僅針對土壤Cd污染開展研究，未綜合考慮不同質地土壤污染和修復治理中的協同、耦合等復雜機理，希望在日后研究中能從工藝優化、機理研究等多方面進行更深層次的相關研究。