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    環境礦物材料在土壤污染治理方面的應用及研究進展!

    信息來源:本站 發布時間:2022-06-20

    土壤污染是全球三大污染因素之一,是土壤遭受有害物質滲入造成土壤內部結構變化而引起的土壤質量遭受惡化的現象。


    土壤污染的主要來源是工業和農業所產生的大量有機與無機污染物,這些污染物的積累會大幅削弱土地質量,其中又以重金屬的污染最為嚴重。另一方面土壤污染與流動性較強的水體污染和大氣污染不同,其最大的特征就是易積聚性,長期的積累令土壤污染很難被輕易去除。


    解決這一難題的最好方法就是增強土壤的自凈化能力,令土壤能夠以一定的速率自行處理污染物,達到一種動態平衡,而賦予土壤這種自凈化能力的物質正是其中的環境礦物材料。


    土壤中的粘土礦物、鐵錳鋁氧化物、硅氧化物、有機質硫化物、氫氧化物、碳酸鹽等都能對重金屬產生吸附、解吸、固定、釋放等一系列的特殊作用,這些作用能夠有效對土壤中的有機污染物與無機污染物進行攔截、阻止、限制與凈化,因此,應用環境礦物材料治理土壤污染是土壤修復的重要方法之一。


    1、環境礦物材料在重金屬污染土壤治理中的應用


    (1)膨潤土


    膨潤土作為我國乃至世界上主要的環境礦物資源之一,在土壤污染治理中發揮著重要的作用。


    謝正苗等在紹興某礦區利用膨潤土修復Pb和Zn復合污染土壤的研究中發現,在pH為5、膨潤土與污染土壤比為1:5時,修復效果最佳,可達到修復土壤的目的。同時,利用膨潤土和合成沸石材料吸附土壤中Cd等重金屬,顯著降低了作物根部和地上部Cd的濃度。


    (2)凹凸棒石


    凹凸棒石黏土對土壤中Cd具有一定的固定作用,范迪富等通過田間試驗利用凹凸棒石黏土對南京八卦洲Cd含量超標的土壤進行了修復研究,在Cd超標的土壤中施加適量的凹凸棒石黏土,蘆蒿中Cd的含量降低了46%,且未引起土壤質量的退化和蘆蒿產量的下降。


    (3)海泡石


    海泡石特有的鏈層狀晶體結構,使海泡石具有較大的比表面積和較強的離子交換能力,以及化學吸附作用。張清等的研究發現,經過熱改性的海泡石顯著提高As3+、As5+的吸附,且在800℃熱改性海泡石的吸附效果最佳。


    (4)沸石


    沸石可適當調節土壤pH,并且不引入其他污染物質,相對其他材料更適合用于重金屬污染土壤的修復。Querol等認為沸石除提高土壤pH,導致重金屬形成沉淀之外,還能通過表面螯合和交換吸附增加對重金屬的吸附。


    (5)磷灰石材料


    磷灰石礦物可用于修復Pb、Cd、Cu和Zn等重金屬污染土壤。王立群等研究發現羥基磷灰石比表面積較大,對土壤中可交換態Cd有較強的吸附能力。Laperche等研究表明,Zn污染土壤施入磷灰石后,其生長的高粱中重金屬含量明顯降低,磷灰石與Pb形成了磷氯鉛礦,降低了Pb在土壤中的生物有效性。


    (6)碳酸鹽礦物


    石灰石、白云石等碳酸鹽礦物主要通過改變土壤pH,以及與重金屬離子形成難溶性的碳酸鹽沉淀以降低重金屬在土壤中的有效性。Chen等研究發現,碳酸鈣可顯著降低水稻、白菜和小麥對紅壤中Cd的吸收。


    (7)金屬氧化物


    尤其是鐵錳氧化物與重金屬離子的相互作用是土壤化學和環境化學研究的重點之一。土壤中As的固定大多采用含鐵氧化物,主要是由于As離子可通過替代鐵氧化物表面羥基而被吸附固定,同時也可形成無定形砷酸鐵(Ⅲ)或非溶性的次生礦物。


    (8)葉臘石


    Erdemoglu等發現葉臘石經有機改性后,其表面結構發生了變化,并對Pb2+的吸附能力有較大的改善,表現為對Pb2+濃度為20mg/L溶液的吸附能力從35%提高至93%,隨著pH的提高吸附能力增加,且在pH為6.5~7.0時吸附能力最強。


    (9)人工合成礦物材料


    近年來,人工合成礦物在污染土壤中的應用越來越多。如人工合成沸石可與重金屬形成(氫)氧化物沉淀,并可能進入礦物的結構之中,而有效地降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性。


    Sneddon等研究也表明,在Pb、Zn和Cd污染土壤中施加由魚骨人工合成的磷灰石對Pb和Cd具有較強的固定能力。


    人工合成磷酸鐵(藍鐵礦)納米材料應用于Pb污染土壤,也顯著降低Pb在土壤中的移動性與生物有效性,交換態和碳酸鹽結合態Pb顯著降低,而殘渣態Pb提高。


    2、環境礦物材料在有機污染土壤治理中的應用


    土壤有機污染物不僅來源廣泛,而且種類繁多,是降低土壤質量和破壞土壤生態系統的重要污染物之一,也是地下水污染和地表水污染的主要來源,已引起社會各界的廣泛關注。環境礦物材料主要通過吸附固定和氧化、催化降解等作用修復有機污染土壤。


    (1)黏土礦物


    鈉基膨潤土為常用的防滲材料,其高度分散性可有效阻止水的流動,有機污染物僅靠自身的分子擴散穿透鈉基膨潤土,速率很小。若添加少量的有機黏土,其中有機黏土可吸附有機污染物形成封閉障礙,提高其防滲效果。


    硅酸鹽礦物不但對有機污染物具有吸附固定作用,而且對有機污染物具有催化氧化作用。黏土礦物具有層狀結構和離子交換特性,在其表面或者內部存在氧化中心導致自由基的產生從而氧化有機污染物。黏土礦物的催化活性大小取決于黏土礦物的類型、可交換的陽離子、黏土礦物的比表面積和表面的酸度。


    (2)金屬礦物材料


    金屬氧化物與有機物通過配位體交換、靜電作用力、陽離子架橋、憎水作用、熵作用、氫鍵作用吸附有機物。


    Juliana等等研究了鐵、錳的氧化物對大環內酯類抗生素(克拉霉素和羅紅霉素)的吸附,鐵錳氧化物對大環內酯類抗生素有較強的吸附能力,其吸附等溫線符合Freundlich模型,且抗生素在鐵錳氧化物上的吸附容量較大,其吸附機理主要是由于抗生素與鐵錳氧化物表面發生了配位作用。


    金屬氧化物除了對土壤中的有機物有吸附固定作用外,對有機物也起到氧化、催化降解作用。帶有表面電荷及含有變價元素的天然鐵錳氧化物和氫氧化物是典型的潛在氧化劑,它們通常具有較大的比表面積,反應性強,能與還原性的酚類化合物發生氧化還原反應,使得某些有毒的酚類化合物發生氧化降解作用。鐵氧化物可以吸附合成有機酸,如乳酸、酒石酸、苯乙酸和檸檬酸等,并且對有機物的轉化和降解具有催化作用。氧化鈦和氧化鐵對土壤表層有機污染物的光降解具有催化作用。


    3、環境礦物材料在病毒污染土壤治理中的應用


    在我國,病毒污染問題很嚴峻,尤其將地下水作為唯一飲用水的廣大農村地區。


    研究發現,比表面大、表面帶正電荷的礦物對病毒的吸附性能較好。黏土礦物對各種病毒吸附固定作用已有研究報道,如高嶺土吸附噬菌體T2,高嶺土、膨潤土和酸化黏土能夠吸附傳染性造血壞死病毒、膨潤土能夠吸附病毒T7等。


    Moor等研究了34種礦物和土壤對脊髓灰質炎病毒的吸附固定能力,結果表明,礦物表面所帶的正電荷總量與病毒吸附量之間存在顯著相關性,以鐵氧化物為主要成分的磁性沙土和赤鐵礦對病毒的吸附能力較強,而蒙脫石、海綠石、頁巖對病毒的吸附能力相對較弱。


    Ryan和Elimelech也指出,鋁、鐵、錳等金屬氧化物在pH接近中性時帶正電荷,即使其含量很低,但對病毒的吸附量可能以數量級增長。


    沈林林等研究發現,納米氧化鐵對病毒的吸附均為優惠吸附,可能存在多層吸附,其吸附行為以電性吸附為主,并指出納米氧化鐵是一種潛在的病毒凈化理想材料。


    總之,礦物材料在土壤污染治理中具有原位、操作簡便、見效快和成本低等優勢,而我國天然礦物資源又比較豐富,因此,環境礦物材料在土壤環境修復中具有一定的發展潛力和良好的應用前景。

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