在“藍天、碧水、凈土三大保衛戰”中,凈土保衛戰被稱為一場“看不見硝煙的戰爭”。因為與大氣污染和水污染相比,土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性等特點,必須通過儀器設備采樣檢測才能確定,而且土壤污染一般要經過10年或者20年之后才能顯現出來。
相關專家測算,“十三五”期間,中國土壤修復潛在市場將超10萬億,遠超過《大氣污染防治行動計劃》的1.7萬億和《水污染防治行動計劃》的4.6萬億。
土壤修復是一項世界性課題,而在眾多的修復材料中,高嶺土、膨潤土、凹凸棒土、海泡石、硅藻土、沸石等粘土礦物經過加工(提純、表面處理和復合)后,具有選擇性吸附有害及各種有機和無機污染物的功能,且原料易得,本身不產生二次污染,有望在土壤修復領域大展身手。
1、粘土礦物在土壤修復中的應用特性
研究表明:粘土礦物具有超強的自凈能力,人們一直致力于研究一種可以通過自然凈化過程來達到治理重金屬的污染,而粘土礦物的自身凈化能力為人們的研究提供了更廣闊的思路,所以粘土礦物修復被譽為繼化學修復、物理修復和生物修復方法之后的第四類污染治理方法。
粘土礦物修復是指向重金屬污染的土壤中添加天然礦物(海泡石、高嶺土、膨潤土等粘土礦物)或改性粘土礦物,利用粘土礦物物理化學作用來改變土壤中重金屬在的賦存形態,降低重金屬的有效濃度和重金屬的有效性,以此降低其毒性,從而達到保護地表水、地下水和動植物的目的。
常用的粘土礦物有:沸石、高嶺石、蒙脫石、凹凸棒石、伊利石、蛭石和海泡石等,且經改性后的粘土礦物具有更大的比表面積,其吸附能力和離子交換能力都得到很大的提高。
2、粘土礦物在土壤修復中的作用機理及影響因素
粘土礦物主要通過離子交換、共沉淀和配合反應對土壤重金屬污染進行修復。
離子交換是由于粘土礦物帶一定量的凈負電荷,根據化合物的電中性原理,必然會有被吸附在粘土礦物域表面或層問的陰離子與等量的陽離子發生交換,以求達到電中性。離子交換吸附經常發生在粘土礦物材料的表面上、層間域和孔道內。
共沉淀是指粘土礦物通過自身溶解作用所產生的陰離子與重金屬陽離子形生沉淀而降低土壤中重金屬的賦存形態,降低重金屬的毒性和可移動性,達到修復重金屬污染土壤的目的。
配合反應是對重金屬離子在粘土礦物顆粒表面吸附作用有另外一種機理解釋。
粘土礦物對土壤中重金屬的吸附固定性能有很多的影響因素,具體概括起來可以分為以下4個主要影響因素:
?。?)粘土礦物重金屬的吸附固定性能與重金屬種類、形態和濃度有關,如前所述,在同樣環境條件下,粘土礦物對重金屬離子具有選擇性,以高嶺土為例,高嶺土對重金屬離子的吸附順序是Pb2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Cd2+。
?。?)粘土礦物重會屬的吸附固定性能與重金屬氧化物、介質離子強度和有機物質等因素。具體來的講重會屬的吸附性與粘土礦物的電化學性質有具體的關系。有研究表明,在高嶺石、蒙脫石和伊利石三種粘土礦物表面覆蓋有機質、Al氧化物和Fe氧化物等電化學性質,結果表明,由于三氧化物的表面覆蓋正電荷了,但是過多的表面不利于粘土礦物對重金屬的吸附,相反降低了粘土礦物對重金屬的吸附;恰恰相反,對于表面有機質覆蓋的粘土礦物來說,因為有機質中含有的電荷呈電負性,粘土礦物所帶的負電荷有所增加,正電荷相對降低了,而帶負電倚粘土礦物可以與重會屬陽離子發生離子交換,所以覆蓋了有機質的粘土礦物更有利于對重會屬的吸附。
?。?)粘土礦物重會屬的吸附固定性能與粘土礦物本身基本結構和類型有關,比如,以蒙脫石和伊利石為例,2:1型蒙脫石與伊利石的粘土礦物對Zn的固定能力比以1:1型蒙脫石與高嶺石強。
?。?)粘土礦物重金屬的吸附固定性能還與環境的pH值有關。很多研究結果證明:就一般規律來講,隨著pH值的升高,粘土礦物材料與重金屬的吸附作用逐漸增強。例如,被粘土礦物吸附對Mn離子能力而言,并且隨pH值的升高,Mn離子吸附量逐漸增加。
3、粘土礦物在土壤修復中的發展前景及趨勢
土壤重金屬污染的迫切性和重要性,以及國家環保、建材等相關政策的支持,這將是非金屬礦功能材料大力發展的契機。采用高嶺土、膨潤土、海泡石和凹凸棒粘土等非金屬礦來對土壤中的重金屬進行選擇性吸附,在修復土地的同時實現“抑害揚益”,這是非金屬礦資源綜合利用的又一研究和發展方向。
我國是一個粘土資源較豐富的國家,因此無論是從資源的角度還是從經濟的角度來講,一方面講它可以為治理土壤重金屬污染提供豐富的粘土礦物材料,另一方面講它還給人們帶來巨大的商業利益。
鑒于我國土壤重金屬污染的形勢越來越嚴重而且污染的規模也越來越來越大,由于在我國豐富的粘土礦物而且價格廉價,所以粘土礦物修復可視為最有效和最可行的方法之一,而且具有相當好的發展潛力和良好的應用前景。
盡管粘土礦物具有良好的前景,但在仍然存在一些的問題亟待解決。例如粘土礦物的使用對土壤中鉀、銨等具有營養作用的離子的影響;在已經被應用于治理重金屬污染土壤的的粘土礦物,將其與土壤分離不是很容易,所以當土壤環境發生變化時,重金屬離子會再次產生二次污染。因此,今后的研究熱點主要集中在以下幾個方面:
?。?)由于肥料養分的控釋被粘土礦物材料控制,我們應該把粘土礦物修復材料與肥料相互配合施用,揚長避短,發揮各自的作用。
(2)多種粘土礦物按照比例混合施用既能避免單一粘土礦物治理污染土壤的不足,還能與磷酸鹽和其他類型的鈍化劑配合施用具有著廣闊的發展前景,而且也被很多人的研究證實了具有很有的鈍化效果。
?。?)盡管現在人們廣泛研究重金屬的鈍化機理,但是至今依然沒有科學的解釋重金屬的鈍化機理,在以后的研究過程中,我們依然要加大對機理的研究,爭取達到分子水平。
(4)改性的粘土礦物具有更大的比表面積和重金屬吸附能力,所以我們在以后的研究中應該加大對粘土礦物的改性研究。
來源:生態資本論;環境修復論壇;粘土礦物對重金屬污染土壤鈍化修復效應研究,作者:王長偉
編輯整理:粉體技術網
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