土壤在环境污染治理中的研究与应用研究

李明星

【摘 要】本文介绍了土壤体系中的粘土矿物及改性土壤吸附固定污染物的机理及进展，和土壤高级氧化体系（土壤Fenton体系和天然半导体矿物的光催化氧化）降解污染物的机理及现状，并就该研究领域的未来应用进行了探讨。

【关键词】土壤；污染治理；综述

1、前言

如今环境问题已是人类关注的热点问题，解决环境问题也倍受世界各国研究人员的关注，他们在寻找治污材料中，由于受治污材料的难求和研究经费等的影响，所以更关注那些天然的治污材料。研究天然土壤或改性土壤对污染物进行吸附、氧化还原等一系列作用在环境处理中具有重要的意义。土壤是由许多矿物及有机物、土壤生物、水分、空气等混合而成，质地比较疏松，具有吸附、络合、氧化还原等作用，故可对污染物质进行固定和降解，并可杀死污染物质中的有害微生物，进而达到治污的目的。土壤治污过程中无二次污染物的产生且治理费用低、原料易得等优点，如今已被广泛应用。

2、粘土矿物与改性土壤吸附固定污染物

目前，由于污水的灌溉、农药的大量使用等，使得土壤中的各种污染物质含量严重超标，在水体的循环作用下，污染物质也可能进入并污染地下水体，所以应尽量固定或降解污染物减少其扩散，从而降低其毒性。粘土矿物是一些以镁、铝为主的含水硅酸盐矿物，绝大部分具有层状的结构，在其层状间可发生同晶替代作用，即晶体结构中原本的离子或原子占有的位置被其他性质类似、大小相近的离子或原子所替代，并不会对晶体结构型产生影响或影响很小的一种现象。如硅氧四面体中的Si4+被Al3+替代使得晶胞表面带负电，所以对金属阳离子有较强的吸附能力，进而将其固定下来，可降低污染程度和污染物的毒性。且土壤颗粒较小、比表面积大、所以表面能大，吸附能力较强。粘土矿物被广泛的应用于对电镀、造纸及含有大量的有机物等废水的治理中。虽然土壤的吸附能力较强，但在一定条件下对污染物的吸附固定量是一定的，若污染物浓度较高时，这种吸附对污染物的去除率较小，不能达到较理想的效果，因此很多研究人员设法对土壤进行的改性处理。高斌[1]等人用十六烷基三甲基铵离子（HDTMA）和四甲基铵离子（TMA）分别对天然黑土进行改性处理，用比原土的阳离子交换容量（CEC）高出一倍的HDTMA和TMA对其处理，实验表明改性后的吸附油量分别是原来的2.9倍和2.6倍；分别用比原来天然红土的CEC高一倍的HDTMA和TMA对原土改性处理，实验表明改性后的吸附油量分别为原来的18倍和17倍。张晓昆[2]等人用非离子表面活性剂烷基酚与环氧乙烷缩合物（TX-7）改性蒙脱土，实验表明改性后对1，2-二氯乙烷的吸附量为5.62mg·g-1，是天然蒙脱土吸附量0.42mg·g-1的13.38倍，经过多次实验研究张晓昆等人提出采用烷基酚与环氧乙烷缩合物和土壤制备生成的有机粘土进行环境污染修复在我国具有广阔的应用前景。

3、土壤高级氧化体系降解污染物

3.1 土壤Fenton体系。土壤Fenton体系表现出的强氧化性的机理是在酸性条件下Fe2+催化H2O2生成氢氧自由基（·OH），并引发产生更多的其它自由基。·OH的氧化电位目前在眾多的物质中仅次于氟，可达2.80V，其次也具有很高的亲电性，可将绝大多数有机物较彻底的氧化。虽Fenton氧化技术的氧化能力强可氧化降解大多数物质但也有些不足之处，比如使用费用较高，且在Fe2+达到一定的浓度后，H2O2的利用率和有机物的去除率变低，反应速率变缓等，基于此便出现了一些联用的技术，其中有光—Fenton技术、电—Fenton技术、微波—Fenton技术等等。雷乐成[3]用光—Fenton技术处理纺织印染PVA废水，该反应体系中在较低浓度的Fe2+存在下并施以紫外光辐射，该反应30分钟后对废水中的溶解性有机碳的去除率达90%以上。Kurt U[4]等人研究表明电-Fenton技术氧化制革废水时，硫化物可在10分钟内被完全去除。赵进才[5]等人通过对比研究黏土矿物结构性铁和交换性铁在光催化下降解有毒有机污染物，实验结果表明土壤中含有较多结构性铁，利用这些矿物成分构建的Fenton氧化体系可以有效地降解阳离子染料。但均相Fenton体系和光-Fenton体系会产生处理成本较高的含铁污泥，不但造成了二次污染，而且使H2O2的利用率降低，因此限制了均相Fenton体系的应用前景。所以有研究人员提出用铁和铁离子的复合物载体，制备疏水性的异相Fenton催化剂，而且已经取得了较好的实验成果。使用天然的土壤矿物成分作为异相Fenton试剂，以阳光为其光源，更能显示其绿色环保的优势，也会有很好的应用前景。

3.2 天然半导体矿物的光催化氧化。土壤中的半导体矿物，在光的激发下，其介带中电子发生跃迁，产生电子-空穴对，进而对污染物可起到氧化还原作用。天然的半导体矿物成分复杂，且结构易变，对其进行改性处理使之具有强的光催化活性，进而促进了对其光催化来治理污染物体系的发展。王程[6]等对天然红石精矿施以光照，用来处理含偶氮染料的废水，4小时后废水的退色率达到了88%，表现出较强的可光催化性能。杨欣[7]等人用天然锰钾矿处理印染废水，发现Mn4+被还原为Mn2+，说明该过程中在矿物界面上发生的氧化还原反应。很多研究人员对天然半导体矿物的光催化氧化的研究，可提高资源的利用多样化，使得光催化剂用于污染治理方向有良好的前景。

4、土壤高级氧化降解污染物的机理研究

土壤的组分极其复杂，可发生多种化学反应，且影响反应的因素也较多，所以要在自然界中研究土壤对污染物的固定较难实现，因此，研究人员将过筛的土壤和水混合制成泥浆涂在玻璃板上在实验室模拟研究。张文兵[8]用O3和H2O2处理久效磷，氧化机理是间接的借助体系中的氢氧自由基引发自由基链式反应，因此反应速度很快。该实验结果表明反应20分钟对其去除率达95%。土壤高级氧化具有很强的氧化能力，并对污染物的分解较彻底，且在含污染物浓度较高的情况下也具有较好的处理能力。

5、结束语

通过研究土壤对环境污染物的治理，因其具有费用低廉且不产生二次污染等的优势，因此近年来该方向的研究有了很大的进展。土壤和改性土壤可以吸附降解污染物，降低其毒性，从而达到治污的目的，但依然有几个问题：（1）污染物吸附后的土壤处理及处理过程可能带来的二次污染；（2）由于土壤对阳离子的吸附效果高于阴离子，故该方法的应用具有局限性；（3）土壤对部分污染物吸附和解吸过程不可逆，或者解吸过程很慢。然而用改性的方法增强土壤对污染物的吸附固定能力，在吸附有机物和非金属污染方面具有良好的前景。对天然半导体矿物的光催化氧化的研究可以提高对资源的利用多样化也可促进光催化剂工业化的应用。对土壤高级氧化降解污染物的机理研究，使人们能够了解土壤中各种高级氧化体系的反应机理和影响条件，帮助研究者找到更好的控制高级氧化体系环境。利用天然材料来治理污染不但降低了治污成本也在一定程度上保护了环境。

【參考文献】

[1]高斌，等.改性土壤对模拟含油废水中油的吸附[J].环境科学，2000，21（3）：89-92.

[2]张晓昆，等.非离子表面活性剂改性土壤的制备及其水中有机污染物的吸附研究[J].农业环境科学学报，2004，23（2）：400-403.

[3]雷乐成，等.光助 Fenton 氧化处理 PVA 退浆废水的研究[J].环境科学学报，2000，20（2）：139-144.

[4] Kurt U，Aprydin O，Gonulu M T. Reduction of COD in wastewater fromanorga ized industrial region by Electro-Fentonprocess[J].J HazardMater，2007，143（1-2） ： 33140.

[5]赵进才，等.Applied Catalysis B： Environmental[J]，2007，77：355.

[6]王程，等.含偶氮染料工业废水处理的实验[J].西安科技大学学报，2007，27（4）：590-593.

[7]杨欣，等.天然锰钾矿处理印染废水实验研究[J].岩石矿物学杂志，2003，22（4）：269-273.

[8]张文兵，等.过氧化氢高级氧化技术去除水中有机污染物[J].中国给水排水，2002，18（3）：89-92.

[9]梅朋森，等.土壤在环境污染治理中的研究与应用[J].分析科学学报，2008，24（6）：718-722.