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环境矿物材料在土壤污染治理方面的应用及研究进展!

北极星环境修复网  来源:粉体技术网    2019/10/17 9:54:33  我要投稿  

北极星环境修复网讯:土壤污染是全球三大污染因素之一,是土壤遭受有害物质渗入造成土壤内部结构变化而引起的土壤质量遭受恶化的现象。

土壤污染的主要来源是工业和农业所产生的大量有机与无机污染物,这些污染物的积累会大幅削弱土地质量,其中又以重金属的污染最为严重。另一方面土壤污染与流动性较强的水体污染和大气污染不同,其最大的特征就是易积聚性,长期的积累令土壤污染很难被轻易去除。

解决这一难题的最好方法就是增强土壤的自净化能力,令土壤能够以一定的速率自行处理污染物,达到一种动态平衡,而赋予土壤这种自净化能力的物质正是其中的环境矿物材料

土壤中的粘土矿物、铁锰铝氧化物、硅氧化物、有机质硫化物、氢氧化物、碳酸盐等都能对重金属产生吸附、解吸、固定、释放等一系列的特殊作用,这些作用能够有效对土壤中的有机污染物与无机污染物进行拦截、阻止、限制与净化,因此,应用环境矿物材料治理土壤污染是土壤修复的重要方法之一。

1、环境矿物材料在重金属污染土壤治理中的应用

(1)膨润土

膨润土作为我国乃至世界上主要的环境矿物资源之一,在土壤污染治理中发挥着重要的作用。

谢正苗等在绍兴某矿区利用膨润土修复Pb和Zn复合污染土壤的研究中发现,在pH为5、膨润土与污染土壤比为1:5时,修复效果最佳,可达到修复土壤的目的。同时,利用膨润土和合成沸石材料吸附土壤中Cd等重金属,显著降低了作物根部和地上部Cd的浓度。

(2)凹凸棒石

凹凸棒石黏土对土壤中Cd具有一定的固定作用,范迪富等通过田间试验利用凹凸棒石黏土对南京八卦洲Cd含量超标的土壤进行了修复研究,在Cd超标的土壤中施加适量的凹凸棒石黏土,芦蒿中Cd的含量降低了46%,且未引起土壤质量的退化和芦蒿产量的下降。

(3)海泡石

海泡石特有的链层状晶体结构,使海泡石具有较大的比表面积和较强的离子交换能力,以及化学吸附作用。张清等的研究发现,经过热改性的海泡石显著提高As3+、As5+的吸附,且在800℃热改性海泡石的吸附效果最佳。

(4)沸石

沸石可适当调节土壤pH,并且不引入其他污染物质,相对其他材料更适合用于重金属污染土壤的修复。Querol等认为沸石除提高土壤pH,导致重金属形成沉淀之外,还能通过表面螯合和交换吸附增加对重金属的吸附。

(5)磷灰石材料

磷灰石矿物可用于修复Pb、Cd、Cu和Zn等重金属污染土壤。王立群等研究发现羟基磷灰石比表面积较大,对土壤中可交换态Cd有较强的吸附能力。Laperche等研究表明,Zn污染土壤施入磷灰石后,其生长的高粱中重金属含量明显降低,磷灰石与Pb形成了磷氯铅矿,降低了Pb在土壤中的生物有效性。

(6)碳酸盐矿物

石灰石、白云石等碳酸盐矿物主要通过改变土壤pH,以及与重金属离子形成难溶性的碳酸盐沉淀以降低重金属在土壤中的有效性。Chen等研究发现,碳酸钙可显著降低水稻、白菜和小麦对红壤中Cd的吸收。

(7)金属氧化物

尤其是铁锰氧化物与重金属离子的相互作用是土壤化学和环境化学研究的重点之一。土壤中As的固定大多采用含铁氧化物,主要是由于As离子可通过替代铁氧化物表面羟基而被吸附固定,同时也可形成无定形砷酸铁(Ⅲ)或非溶性的次生矿物。

(8)叶腊石

Erdemoglu等发现叶腊石经有机改性后,其表面结构发生了变化,并对Pb2+的吸附能力有较大的改善,表现为对Pb2+浓度为20mg/L溶液的吸附能力从35%提高至93%,随着pH的提高吸附能力增加,且在pH为6.5~7.0时吸附能力最强。

(9)人工合成矿物材料

近年来,人工合成矿物在污染土壤中的应用越来越多。如人工合成沸石可与重金属形成(氢)氧化物沉淀,并可能进入矿物的结构之中,而有效地降低土壤中重金属的移动性和生物有效性。

Sneddon等研究也表明,在Pb、Zn和Cd污染土壤中施加由鱼骨人工合成的磷灰石对Pb和Cd具有较强的固定能力。

人工合成磷酸铁(蓝铁矿)纳米材料应用于Pb污染土壤,也显著降低Pb在土壤中的移动性与生物有效性,交换态和碳酸盐结合态Pb显著降低,而残渣态Pb提高。

2、环境矿物材料在有机污染土壤治理中的应用

土壤有机污染物不仅来源广泛,而且种类繁多,是降低土壤质量和破坏土壤生态系统的重要污染物之一,也是地下水污染和地表水污染的主要来源,已引起社会各界的广泛关注。环境矿物材料主要通过吸附固定和氧化、催化降解等作用修复有机污染土壤。

(1)黏土矿物

钠基膨润土为常用的防渗材料,其高度分散性可有效阻止水的流动,有机污染物仅靠自身的分子扩散穿透钠基膨润土,速率很小。若添加少量的有机黏土,其中有机黏土可吸附有机污染物形成封闭障碍,提高其防渗效果。

硅酸盐矿物不但对有机污染物具有吸附固定作用,而且对有机污染物具有催化氧化作用。黏土矿物具有层状结构和离子交换特性,在其表面或者内部存在氧化中心导致自由基的产生从而氧化有机污染物。黏土矿物的催化活性大小取决于黏土矿物的类型、可交换的阳离子、黏土矿物的比表面积和表面的酸度。

(2)金属矿物材料

金属氧化物与有机物通过配位体交换、静电作用力、阳离子架桥、憎水作用、熵作用、氢键作用吸附有机物。

Juliana等等研究了铁、锰的氧化物对大环内酯类抗生素(克拉霉素和罗红霉素)的吸附,铁锰氧化物对大环内酯类抗生素有较强的吸附能力,其吸附等温线符合Freundlich模型,且抗生素在铁锰氧化物上的吸附容量较大,其吸附机理主要是由于抗生素与铁锰氧化物表面发生了配位作用。

金属氧化物除了对土壤中的有机物有吸附固定作用外,对有机物也起到氧化、催化降解作用。带有表面电荷及含有变价元素的天然铁锰氧化物和氢氧化物是典型的潜在氧化剂,它们通常具有较大的比表面积,反应性强,能与还原性的酚类化合物发生氧化还原反应,使得某些有毒的酚类化合物发生氧化降解作用。铁氧化物可以吸附合成有机酸,如乳酸、酒石酸、苯乙酸和柠檬酸等,并且对有机物的转化和降解具有催化作用。氧化钛和氧化铁对土壤表层有机污染物的光降解具有催化作用。

3、环境矿物材料在病毒污染土壤治理中的应用

在我国,病毒污染问题很严峻,尤其将地下水作为唯一饮用水的广大农村地区。

研究发现,比表面大、表面带正电荷的矿物对病毒的吸附性能较好。黏土矿物对各种病毒吸附固定作用已有研究报道,如高岭土吸附噬菌体T2,高岭土、膨润土和酸化黏土能够吸附传染性造血坏死病毒、膨润土能够吸附病毒T7等。

Moor等研究了34种矿物和土壤对脊髓灰质炎病毒的吸附固定能力,结果表明,矿物表面所带的正电荷总量与病毒吸附量之间存在显著相关性,以铁氧化物为主要成分的磁性沙土和赤铁矿对病毒的吸附能力较强,而蒙脱石、海绿石、页岩对病毒的吸附能力相对较弱。

Ryan和Elimelech也指出,铝、铁、锰等金属氧化物在pH接近中性时带正电荷,即使其含量很低,但对病毒的吸附量可能以数量级增长。

沈林林等研究发现,纳米氧化铁对病毒的吸附均为优惠吸附,可能存在多层吸附,其吸附行为以电性吸附为主,并指出纳米氧化铁是一种潜在的病毒净化理想材料。

总之,矿物材料在土壤污染治理中具有原位、操作简便、见效快和成本低等优势,而我国天然矿物资源又比较丰富,因此,环境矿物材料在土壤环境修复中具有一定的发展潜力和良好的应用前景。

原标题:环境矿物材料在土壤污染治理方面的应用及研究进展!

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