重金属污染土壤修复中钝化材料的应用研究

王燕芳+陈清艳

摘 要：重金属被美国环境保护署列为优先污染物，在全世界使用的70000余种化学品中，铅、汞、砷和镉的毒性分别被排在第一、第二、第三和第六位。近年来，由于人类活动的大规模排放，更使得重金属污染问题成为地方、区域甚至全球尺度的问题。为了解决这一世界性问题，世界各国都开展了大量的研究，下文对重金属污染土壤修復中钝化材料的应用进行了分析探讨，仅供参考。

关键词：金属 污染 土壤 钝化材料

一、土壤重金属钝化材料分类

1、有机钝化材料

有机钝化材料常用的主要包括有机堆肥、城市污泥、畜禽粪便等。研究发现，在土壤Cu浓度较低时加入有机钝化材料，降低土壤迟滞系数，抑制土壤吸附能力，促进土壤解吸能力；而在土壤Cu高浓度时增加迟土壤滞系数，促进土壤吸附能力，抑制土壤解吸能力；在研究中发现溶解性有机物能明显的抑制对重金属Cd的吸附作用。溶解性有机物提高Pb在土壤中的移动性，抑制其吸附。由于对土壤吸附能力影响因素比较多，吸附机制比较复杂，一般是几方面的综合作用影响溶解性有机物对土壤重金属的吸附。因此，在使用有机物质进行土壤重金属修复时要根据重金属的种类和浓度合理添加有机物料，以达到修复的效果。

2、金属及金属氧化物材料

常用的含铁物质主要有零价铁和硫酸亚铁盐，在砷污染土壤使用硫酸亚铁盐常常获得比较明显的固定效果，但所导致的土壤酸化问题不容忽视，土壤酸化诱导土壤中已固定的Cd、Cu、Zn等重新释放出来，必须通过碱性物质如石灰控制土壤pH变化。与硫酸亚铁相比，零价铁在土壤中转化成氧化物的过程较慢，生成氧化物的量较多，不会引起土壤酸化，从长期修复效果稳定性看零价铁更可取。但已有的报道显示，零价铁多用于修复可变电荷的重金属As、Cr等，而在Cu、Cd等的修复中较为少见。在铁锰氧化物中化学形态包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅶ等4种价态，在自然环境中比较稳定的是Ⅱ价和Ⅳ价，且可以在可溶的低价态（还原态）和难溶的高价态（氧化态）之间转化，由此可见，铁锰氧化物对可变价态的重金属As、Cr、U有一定的修复效果。

3、生物炭

生物炭对重金属的吸附固定机制主要有以下4个方面：（1）使土壤的pH值升高进而促进重金属离子形成难溶性的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物沉淀或者增加土壤表面活性位点，从而降低重金属离子的活性和移动性；（2）离子交换和阳离子-π作用，有研究表明离子交换和阳离子-π作用可能是玉米秸秆炭对Cd吸附的2种最主要的机制；（3）与生物炭表面官能团形成了特定的金属离子配合物；（4）表面吸附，研究玉米秸秆生物炭对重金属离子Hg2+、As3+、Pb2+和Cd2+等的吸附为亲和力极弱的非静电物理吸附，是可逆吸附；金属离子水化热越大，越不易与生物炭表面位反应。

二、影响土壤重金属钝化效果的因素

1、原料种类

通常情况下，使用作物秸秆、藻类、禽畜粪便为原料的生物炭比使用含木质素高的硬木等为原料的生物炭碱性更高，对重金属的钝化能力相对更好，而且C含量较低。对比大豆秸秆生物炭和松针生物炭对土壤中Pb和Cu的钝化效果，结果显示，大豆秸秆生物炭对Pb和Cu的固定化效果高于松针生物炭。XU等[23]320-326研究了猪粪生物炭和小麦秸秆生物炭对砂壤中Cd的钝化作用，两者表现出不同的特点。猪粪生物炭的最大吸附量大约是小麦秸秆生物炭的10～15倍。施用猪粪生物炭的砂壤中，Cd的最大吸附量随生物炭的施用量增加而增加，而施用小麦秸秆生物炭的土壤则相反。

2、碳化温度

有研究发现，当使用同种原料时，低温碳化产物对重金属的最大吸附量高于高温碳化产物325。玉米秸秆、松木片和猪粪在不同碳化温度下制备的生物炭的特性和作为土壤钝化材料的潜在应用前景，结果表明，随着碳化温度的升高，生物炭的极性下降。在300～600℃内，温度越低，制备的生物炭对重金属离子具有越强的钝化能力。

三、展望

土壤重金属的修复材料主要分为以下几种：石灰和碳酸盐矿物、含磷材料、含硅材料、有机物质、金属和金属氧化物、生物炭及新型材料。几种类型的修复材料在固定土壤重金属的效果不同，固定机理也不尽相同。在石灰和碳酸盐矿物修复材料中，石灰的修复效果要明显优于其他碳酸盐矿物材料，而且CaCO3和MgCO3等矿物在土壤中移动性较差，因此在此类修复剂中，石灰效果是最好的。含磷材料中，考虑到应尽量选择天然物质或者工农业废弃物以及减小施用中磷流失风险的原则，氟磷灰石、羟基磷灰石、钙镁磷肥和含磷污泥是较好的选择。据已有的文献报道，氟磷灰石和羟基磷灰石的修复效果较优于钙镁磷肥，而含磷污泥主要用于固定土壤中Pb和Cr的研究，因此在应用中可考虑使用氟磷灰石、羟基磷灰石和含磷污泥。含硅材料种类较多，按经济性而言，含有硅酸盐的粘土矿物、含有硅的污泥以及含硅的粉煤灰等在实际应用中较有实际性。金属及金属氧化物中的纳米Fe、FeSO4、Fe2（SO4）3等主要用于可变价态的重金属的钝化，按照经济性和选择天然物质的原则，针铁矿、水合氧化锰、锰钾矿、水钠锰矿、赤泥、炉渣在钝化Cu、Cd中较有可行性。关于有机质对土壤重金属的固定作用的报道结果并不一致，部分研究表明有机堆肥、畜禽粪便、城市污泥可以降低土壤重金属的活性。生物炭在重金属的钝化实践中也有一定的效果，通过文献报道可知，同等条件下，生物炭的钝化效果要低于石灰而高于沸石，同时已有的研究中，生物炭的添加量通常比较高，一般要在1%以上才会起到作用，在5%时才会有比较好的效果。新型材料种类众多，除我们较熟悉的纳米材料以外，介孔材料、功能膜材料、植物多酚物质也有一定的效果，但是这些材料都存在一个比较致命的缺点，那就是合成较困难、价格高，在达到同等钝化效果时的添加量并不低于普通材料，因此要想将这些材料用于实践，最主要的是克服合成困难、价格昂贵的问题。

结束语

由于人类对自然资源的大规模攫取，加之工业化和农业现代化进程的加快，使土壤污染问题越来越凸显出来。在各类污染中，重金属污染是最重要的污染类型之一，土壤中的重金属被植物体吸收后很容易通过食物链进入体，从而危害人类健康。

参考文献

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