改性茶渣炭對土壤重金屬污染的鈍化性能研究

摘要：為實現對于土壤重金屬的有效鈍化并降低土壤重金屬含量，本研究以茶渣炭為基礎材料，通過氯化鐵對茶渣炭實施改性處理進而生成零價鐵改性茶渣炭，將不同含量的改性茶渣炭混入受到重金屬污染的青紫泥和潮土中，并將該材料與茶渣炭進行對比，測定不同處理方案下青紫泥和潮土的有效重金屬含量以及土壤樣本中孔隙水的重金屬含量。研究發現，于潮土和青紫泥中混入30 g/kg G-nZVI/TB并培養112 d后，土壤中所含有的有效態重金屬含量最高可下降67.8%，土壤孔隙水重金屬含量最高可下降68.5%。改性茶渣炭對于土壤中所含有的砷、鉛、鉻體現出了良好的鈍化效果，能夠顯著降低土壤孔隙水的重金屬含量。

關鍵詞：茶渣炭；零價鐵；重金屬；鈍化；土壤化學改良；污染治理

中圖分類號：TQ138.1文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0052-04

Study on the passivation performance of modified tea residue charcoal on soil heavy metal pollution

YAN Shaojuan1，XIE Yongxia1，PEI Xuehui1，WANG Junfeng2，DONG Jinyong3

（1.Anyang Ecological Environment Technology Center，Anyang 455000，Henan China；2.Anyang Ecological Environment Bureau Anyang County Branch，Anyang 455100，Henan China；3.Anyang Ecological Environment Monitoring and Safety Center，Anyang 455000，Henan China）

Abstract：In order to achieve the effective passivation of heavy metals in soil and reduce the content of heavy met-als in soil，this study used tea residue charcoal as the basic material，and modified tea residue charcoal by ferric chloride to generate zero-valent iron modified tea residue charcoal.Different contents of modified tea residue char-coal were mixed with purple soil and fluvo-aquic soil contaminated by heavy metals，and the material was compared with tea residue charcoal.The effective heavy metal content of purple soil and fluvo-aquic soil under different treat-ment schemes and the heavy metal content of pore water in soil samples were determined.The study found that after mixing 30 g/kg G-nZVI/TB in fluvo-aquic soil and purple soil and cultivating 112 days，the content of available heavy metals in soil can be reduced by up to 67.8%，and the content of heavy metals in soil pore water can be re-duced by up to 68.5%.The modified tea residue carbon has a good passivation effect on arsenic，lead and chromium contained in soil，and can significantly reduce the content of heavy metals in soil pore water.

Key words：tea residue charcoal；zero valent iron；heavy metals；passivation；chemical improvement of soil；Pollu-tion control

重金屬是造成土壤污染的主要因素之一，其中砷、鉛、鎘等元素的污染最為嚴重，尤其是在生態循環作用下，重金屬物質會累積在動植物中，成為食物鏈的一環，嚴重危害人類的身體健康。生物質炭具有表面官能團豐富、比表面積高、多微孔結構等方面的特點，對于土壤中所含有的鎘、鉛等重金屬物質具有一定的鈍化作用。然而，該材料自身具有較多的負電荷，難以修復土壤中的砷化物。砷元素雖然屬于非金屬元素，但在土壤重金屬的探測與處理工作中，通常會將砷化物作為主要的處理目標之一。傳統的鐵改性生物炭對于鎘、鉛、砷有一定的吸附作用，但其自身也存在一定的毒性。因此，本研究以茶渣炭為基礎成分制備了一種重金屬鈍化材料，通過土壤培養試驗的方式來驗證該材料對于鎘、鉛、砷等污染物的鈍化性能。

1材料與方法

1.1試驗材料

試劑：氯化鐵晶體（FeCl3× 6H2 O）（分析純，昌邑宏達化工有限公司）；氫氧化鈉（分析純，滄州炫星化工產品有限公司）；聚丙烯（粒徑小于150μm）（分析純，山東金信達新材料科技公司）；無水氯化鈣（分析純，山東尚善化工有限公司）；碳酸氫三鈉（分析純，天津錦耀翔承科技有限公司）；硝酸（電子級UPS，安徽金粵冠新材料科技有限公司）。

儀器：DZF-6210A型真空干燥箱（無錫展霖環境科技有限公司）；CQ20-D50H490型超聲攪拌儀（深圳市朗杰超聲電器有限公司）；DNP-9016型電熱恒溫培養箱（上海鉑溫儀器有限公司）；ZHD-2.2型高速攪拌器（上海眾時機械有限公司）；PlasmaMS 300型電感耦合等離子體質譜儀（鋼研納克檢測技術股份有限公司）。

1.2零價鐵改性茶渣炭的制備

將一定量的廢棄茶葉放入烘箱，以60℃的溫度烤干并充分研磨；加入4倍于茶葉質量的去離子水并攪拌均勻，再對混合溶液實施2 h的水浴加熱處理，加熱溫度為90℃;用過濾紙過濾混合溶液中的茶渣，將茶渣洗滌烘干備用，將廢茶提取液放入4℃恒溫箱中備用[1-3]；于馬弗爐中通入氮氣后放入茶渣，于500℃環境下熱解2 h后獲得茶渣炭。

稱取500 ml濃度為0.19 mol/L的FeCl3× 6H2 O溶液，于溶液中加入5 g茶渣炭進而獲得茶渣炭懸濁液，再用濃度為1 mol/L的NaOH溶液將懸濁液的酸堿度調整為pH值=5.5；對經過酸堿度調節的懸濁液超聲攪拌15 min后倒入三頸燒瓶；以400 r/min的速度對燒瓶中的懸濁液攪拌30 min，再加入與懸濁液同體積的廢茶提取液并以同樣的轉速持續攪拌45 min，待溶液充分反應后運用離心機分離出懸濁液中的固體材料[4-6]；用質量濃度為1.5 g/L的NaOH溶液洗去固體材料上附著的多酚類物質，將經過清洗的固體材料放入-65℃的恒溫箱中靜置1d，在對其實施研磨處理后得到零價鐵改性茶渣炭（G-nZVI/TB）。

1.3供試土壤

本次研究采集了2種受到重金屬污染的土壤，2種土壤分別為潮土和青紫泥，其土壤中砷、鉛、鉻含量為別為88.18±2.12（mg/kg）、936.93±7.26（mg/kg）、20.54±1.52（mg/kg）、14.00±1.67（mg/kg）、157.01±5.49（mg/kg）、2.25±0.33（mg/kg）。

1.4土壤培養試驗

土壤培養試驗流程如下：

（1）分別選取一定量的G-nZVI/TB和一定量的茶渣炭，將2種吸附材料與土壤充分混合；

（2）另取一份土壤并添加1g/kg的聚丙烯作為微塑料試驗組土壤，同樣采用G-nZVI/TB來進行鈍化處理；

（3）各組分土壤的初始水分為自身最大持水量的60%，完成水分調節后放入花盆并稱取總質量；

（4）將花盆放入恒溫箱中，將相對濕度設定為70%，溫度設定為25℃，每3 d補充一次水分，每28 d進行一次干濕循環，將土壤水分含量調節至田間最大持水量的60%作干循環，將土壤水分含量調節至田間最大持水量的120%作濕循環。

本研究共設置16組試驗樣本并對其進行檢測，各組樣本命名如下：

（1）將不混入材料的潮土記為CCK；

（2）將混入15 g/kg和30 g/kg茶渣炭的潮土分別記為CT1和CT2；

（3）將混入15 g/kg和30 g/kg G-nZVI/TB的潮土分別記為CT3和CT4；

（4）將未混入材料的微塑料組潮土記為CPCK；

（5）將混入15 g/kg和30 g/kg G-nZVI/TB的微塑料組潮土分別記為CPT3和CPT4；

（6）將不混入材料的青紫泥記為BCK；

（7）將混入15 g/kg和30 g/kg茶渣炭的青紫泥分別記為BT1和BT2；

（8）將混入15 g/kg和30 g/kg G-nZVI/TB的青紫泥記分別為BT3和BT4；

（9）將未混入材料的微塑料組青紫泥記為BPCK；

（10）將混入15 g/kg和30 g/kg G-nZVI/TB的微塑料組青紫泥分別記為BPT3和BPT4。

1.5重金屬測定

本研究采用重金屬有效態含量指標來評價G-nZVI/TB對于土壤重金屬的鈍化效果。首先于100mL離心管中加入3g土壤樣本，再加入30ml濃度為0.1mol/L的CaCl2溶液，進而提取土壤中的有效鉛和有效鉻；于100 mL離心管中加入1 g土壤樣本，再加入30 ml濃度為0.5mol/L的NaHCO3溶液，進而獲得土壤中的有效砷[7-9]；在此基礎上對溶液實施16h的攪拌處理，攪拌速度為250 r/min，攪拌溫度為25℃;對完成攪拌的溶液實施10min的離心處理，離心轉速為3 000 r/min，用0.45μm濾膜濾出上清液（約15 ml）[10-12]；稱取100μL濃硝酸并倒入上清液中，采用電感耦合等離子體質譜儀對溶液中重金屬的有效態含量進行檢測。

2結果與分析

2.1土壤中砷、鉛、鉻的有效態含量

各組分土壤樣本的重金屬有效態含量測試結果如圖1所示。

由圖1（a）和圖1（b）可知，相較于空白處理組來說，混入30 g/kg G-nZVI/TB的青紫泥和潮土樣本在培養112 d后的鉻有效態含量分別下降了7.3%和4.0%，混入30 g/kg茶渣炭的青紫泥和潮土樣本在培養112 d后的鉻有效態含量分別下降了7.3%和4.0%，G-nZVI/TB對于鉻的鈍化效果低于茶渣炭。

由圖1（c）和圖1（d）可知，混入30 g/kg G-nZVI/TB的青紫泥和潮土樣本在培養112d后的鉛有效態含量分別下降了67.8%和42.2%。雖然聚丙烯能夠與G-nZVI/TB一同吸附鉛元素，但被聚丙烯固定的有效態鉛依舊會與氯化鈣溶液發生反應，因此相較于單純混入30 g/kg G-nZVI/TB的處理方案來說，30 g/kg G-nZVI/TB在1 g/kg聚丙烯介導下青紫泥和潮土的有效鉛含量在培養112d后分別提高了89.7%和21.4%。

由圖1（e）和圖1（f）可知，茶渣炭對于土壤中砷的鈍化性能極差，混入30 g/kg茶渣炭的土壤樣本在培養112d后，其有效砷含量相較于空白組反而提高了17.1%。混入30 g/kg G-nZVI/TB的青紫泥和潮土的有效砷含量相較于空白組則下降了30.1%和26.4%。

整體來看，混入30 g/kg G-nZVI/TB的潮土在培養7 d后，其有效砷含量下降了16.7%、有效鉛含量下降了16.0%、有效鉻含量下降了1.9%。混入30 g/kgG-nZVI/TB的青紫泥在培養7d后，其有效砷含量下降了18.2%、有效鉛含量下降了39.6%、有效鉻含量下降了4.1%。在時間推移及干濕變化的過程中，混入30 g/kg G-nZVI/TB的土壤樣本在經過112d的培養后能夠鈍化更多的砷、鉛、鉻。綜上所述，于土壤中混入30 g/kg G-nZVI/TB能夠有效降低砷、鉛、鉻的有效態含量，同時在干濕交替后體現出了更加顯著的鈍化效果。

2.2土壤孔隙水中砷、鉛、鉻含量

各組分土壤孔隙水的重金屬有效態含量測試結果如圖2所示。

由圖2可知，G-nZVI/TB能夠顯著降低土壤孔隙水中砷、鉛、鉻的濃度。隨著時間的推移和干濕交替，G-nZVI/TB在青紫泥孔隙水中固定了更多的砷和鉛，釋放了部分鉻。G-nZVI/TB在潮土孔隙水中固定了更多的鉛和鉻，同時穩定吸附了一定量的砷。相較于空白組來說，混入1 g/kg聚丙烯的潮土孔隙水在培養112 d后，其所含有的砷、鉛、鉻分別下降了6.6%、16.7%、20.9%。

然而，青紫泥在相同的處理方案下未表現出類似的規律，出現該現象的原因在于：（1）青紫泥重金屬污染程度較低；（2）聚丙烯只能夠吸附少量重金屬，對于混入30 g/kg G-nZVI/TB的土壤樣本來說，是否加入1 g/kg聚丙烯對于孔隙水中砷、鉛、鉻的濃度不會產生顯著影響。由此可知，G-nZVI/TB是固定孔隙水中砷、鉛、鉻的主導因素。

3結語

經試驗研究發現，于潮土和青紫泥中混入30 g/kg G-nZVI/TB并培養112d后，其中所含有的有效態砷、鉛、鉻可下降4%～67.8%，孔隙水中砷、鉛、鉻含量可下降28.2%～68.5%，體現出了良好的鈍化效果。除此之外，于潮土和青紫泥中混入1g/kg聚丙烯能夠使有效態鉛的含量增加21.4%～89.7%，但對于有效態砷和有效態鉻的含量無明顯影響，然而該處理方案能夠使潮土孔隙水中砷、鉛、鉻的含量下降6.6%～20.9%。從重金屬鈍化的角度來看，G-nZVI/TB在聚丙烯介導下的鈍化效果會受到一定的影響。由此可知，在土壤重金屬處理工作中，土壤和孔隙水應當分別進行處理，并且根據重金屬的種類和含量有針對性地選擇處理方案。

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（責任編輯：張玉平）