黏土矿物对重金属污染土壤的修复研究

摘要：我国土壤重金属污染问题严峻，直接威胁着人类的生存健康，严重影响社会可持续发展。面对严重的土壤污染问题，科学家研了诸多环境修复材料，其中黏土矿物具有自身独特的物理化学结构，是极具修复潜力的一种环境材料。基于此，本文综述我国土壤重金属污染现状，介绍以膨润土、沸石和凹凸棒为代表的黏土矿物对重金属污染土壤的修复研究进展，可为环境修复材料的研究提供借鉴。

关键词：黏土矿物;重金属;污染土壤

由于工农业的快速发展以及经济社会的飞速发展，人类对自然资源的大量掠夺式占用，引发了严重的环境污染问题。土壤作为生态系统的重要组成部分，承载了巨大的环境压力。污染物通过各种途径最终进入土壤环境，不断累积，被植物吸收，进而进入食物链，直接威胁着人类的生存健康，严重影响着社会可持续发展。面对严重的土壤污染问题，科学家积极进行探索，研究了很多修复治理方法，开发了诸多环境修复材料。其中，黏土矿物具有自身独特的物理化学结构，是极具修复潜力的一种环境材料。黏土矿物作为修复材料可吸附固定土壤中的污染物，减少植物对其的吸收，从而有效防止污染物对生态系统的危害。

我国土壤重金属污染现状

重金属污染是土壤污染问题中最为严重的一个方面，全世界每年因工农业生产、城市生活垃圾排放、交通污染、污水灌溉等向环境中排放了大量的重金属污染物，其中汞约1.5万t、铅500.0万t、锰1500.0万t、铜340.0万t，带来了严重的土壤污染问题。有报道指出，自2008年以来，我国发生的重大污染事故有100余起，其中镉、砷、汞等污染事故约占1/3[1]。2014年全国土壤污染调查公报显示，我国土壤重金属污染问题不容乐观，土壤超标率达到16.1%，南方重金属污染情况明显高于北方，西南、中南地区污染物严重超标。我国受重金属污染的耕地面积占总耕地面积的1/5，约有2000万hm2，超标大田农作物耕地面积约60万hm2，其中以铅、汞、镉、铜及其复合污染尤为严重[2]。每年因重金属污染带来了大范围粮食减产，造成了严重的经济损失。对于土壤重金属污染问题，应加强对污染源的得力监管，修复治理应采用防治结合的有效措施。

黏土矿物在重金属污染土壤修复中的应用

针对严重的土壤重金属污染问题，现有的修复治理措施主要包括客/换土法、电解法、热处理法、生物修复等，但各个修复方法均有其自身的优缺点，应因地制宜地选择利用。近年来，针对重金属污染修复材料的研发成为学者关注的热点，黏土矿物因其自身独特的物理化学性质，在重金属污染修复治理方面发挥了显著的作用。目前应用的黏土矿物主要包括膨润土、沸石、凹凸棒等。

（一）膨润土

膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，在我国分布广且储量大，对多种重金属元素都具有一定的修复效果。汞铁军等[3]研究表明，膨润土可用于重金属污染修复治理，膨润土与重金属会生成Pb（NO3）2和CdCO3等物质，使重金属的沉淀率均在85%以上。师俊杰等[4]研究表明，施用膨润土以及膨润土与丛枝菌根真菌复合处理均可有效降低土壤中有效态重金属含量，植株地上和地下部分重金属含量也显著减少。胡克伟等[5]对比了膨润土对4种重金属离子的富集系数，结果显示富集系数大小为Pb2+>Cu2+>Zn2+>Cd2+。谢正苗等[6]采用膨润土修复矿区铅、锌污染土壤，研究得出在pH=5的条件下，膨润土∶污染土壤=1∶5时，修复效果最好。另有研究者将壳聚糖负载在膨润土上制成颗粒状的吸附剂，用于锌污染土壤修复，结果表明，pH为6～8的条件下，膨润土与壳聚糖的质量比为1∶20，锌质量浓度≤200m/L，吸附平衡时间5min，重金属锌的去除率达到了98%[7]。

（二）沸石

天然沸石具有很强的选择吸附能力，吸附容量和离子交换能力均较大，在修复改良土壤方面具有显著的作用。有研究人员利用沸石修复镉污染土壤，沸石添加显著降低了黑麦草、莴苣和燕麦根、茎中的镉含量，沸石添加量为1%时，莴苣叶片中镉含量较对照减少了86%[8]。Nissen等[9]研究发现，污泥中添加0.5%和1.0%的沸石，90d內污泥中移动性重金属锌含量显著降低，向植物的传递量也显著减少。王秀丽等[10]利用沸石修复镉污染土壤，结果表明，沸石可降低交换态镉含量，促进交换态向铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、有机态、残渣态等低活性转化。Hapour等[11]对比了沸石和膨润土对于镉、铅复合污染土壤的修复效果，结果显示，沸石对镉和铅的吸附能力优于膨润土，更加有效地降低了土壤镉、铅的生物有效性以及农作物玉米地上部分和根部中的镉含量。Mahabadia等[12]研究指出，天然沸石促使黏土、沙土、沙壤土和壤土等不同质地土壤镉浸出量显著减少，15%的沸石添加量对镉的吸附效果最佳。

（三）凹凸棒

凹凸棒是一种含水的层链状镁质硅酸盐矿物，具有较大的比表面积和很强的吸附性能。凹凸棒廉价易得，在土壤重金属污染的原位钝化修复中得以应用。使用凹凸棒黏土矿物可提升土壤pH值，提高了土壤对重金属的吸附能力，当污染土壤与凹凸棒的质量比为20∶1时，对铜、锌、镉等重金属污染土壤的修复效果最佳，铜、锌、镉的修复率平均达31.50%、26.15%、34.92%，有效减少了蔬菜对其的吸收[13]。杨秀红等[14]通过盆栽试验研究了凹凸棒对铜污染土壤的修复效果，结果表明，污染土壤中添加凹凸棒后可显著降低铜的生物有效性。任静华[15]采用凹凸棒开展了野外大田原位修复试验，结果表明施用凹凸棒显著降低了土壤中DGT提取态镉，3a试验期间凹凸棒促使小麦和水稻籽粒中镉含量持续下降。

结语

黏土矿物储量丰富、价格低廉，是重金属污染土壤修复治理的新途径，具有很大的应用潜力。采用其修复治理重金属污染土壤可原位进行，操作简单，不会产生二次污染。目前，利用黏土矿物的修复治理大多处于实验室研究阶段，工程应用非常少，亟待不断深化相关研究，探索最适的应用条件及修复治理能力，针对性地进行改性处理，不断提高黏土矿物作为环境材料的修复治理能力，发挥其更大的应用价值。