累托石对污染土壤重金属元素有效态的影响

龚 关，肖宇鹰，王 锝，于晓琪，李 莹，孙晋龙，廖 鸣（湖北省地质实验测试中心，湖北　武汉　430034）



累托石对污染土壤重金属元素有效态的影响

龚 关，肖宇鹰，王 锝，于晓琪，李 莹，孙晋龙，廖 鸣
（湖北省地质实验测试中心，湖北武汉430034）

【摘 要】采用累托石作为处理剂，开展了对污染土壤中重金属元素有效态影响的试验研究，结果表明：累托石可减少污染土壤中重金属Cu、Pb、Zn、As的总量，降低水溶态Cu、Pb、As、Hg以及离子交换态Cu、Zn、As、Hg含量，可降低污染土壤中重金属元素的生物有效性。

【关键词】累托石；污染土壤；重金属

1　引言

近年来，随着我国工、农业生产的快速发展，产生了大量的重金属污染，这些污染通过自然迁徙和人类活动不断进入土壤造成土壤重金属污染。据统计，目前我国已有26万km2的耕地受到不同程度的重金属污染，占到全国耕地面积的20%［1］，对生态环境、食品安全以及农业可持续发展构成威胁。因此，修复土壤重金属污染已日益受到重视。

土壤重金属修复方法可概括为物理修复、化学修复和生物修复。物理修复主要包括换土、翻土、客土、填埋等，优点是重金属去除率高，但存在工程量大、能耗高、投资大的缺陷；生物修复是指植物稳定、植物挥发、植物萃取以及微生物修复，优点是修复效果稳定可靠、无二次污染，缺点是修复周期长、针对性强、对地力条件要求高等；化学修复主要为化学药剂淋洗和使用土壤改良剂，化学淋洗的优点是重金属去除彻底，缺点是操作复杂、对土壤结构及理化性质破坏严重、易产生二次污染。大量研究证明，使用土壤改良剂是一种行之有效的土壤重金属污染修复方法，当然也存在一定的缺点，主要是当土壤物理化学性质发生明显改变时，重金属会再次回到土壤。但是因其投资少、见效快、易操作、二次污染小、适应污染浓度范围广等优势被广泛应用。

研究表明，天然矿物如膨润土、海泡石、沸石、硅藻土、蛭石等对重金属具有良好的吸附作用［2-5］，因此，经常被用作重金属污染土壤原位修复材料。累托石作为一种较为稀少的非金属矿，因其特殊的矿物结构具有良好的吸附性、离子交换性、分散性、胶体性能，在钻井液材料、石油催化剂载体、防水材料、涂料悬浮剂等领域得到了应用研究［2-5］。本文主要叙述累托石对污染土壤中重金属有效态的影响试验研究及结果分析。

2　试验研究

2.1试验材料

2.1.1土壤样品

土壤样品采集于湖北省主要工业区域内企业附近的农田或耕地，具体采样点为黄石振华化工有限公司、湖北恒鑫金属表面处理有限公司、大冶有色金属公司冶炼厂、金洋冶金股份有限公司、湖北鄂中化工有限公司。样品采集方法为在距厂区约50m采样，每个样点按梅花状形式采集5个0～20cm耕层土样制成混合样，土壤样品经风干，过2mm筛备用。

2.1.2累托石样品

采用湖北钟祥累托石粘土，其化学成分（%）为：SiO244.31、Al2O335.60、TFe2O31.50、CaO 4.05、MgO0.35、TiO22.46、K2O1.12、Na2O 1.24、LOI8.23。阳离子交换量（mmol/100g）：CEC 40.91、E（1/2Ca2+）34.80、E（1/2Mg2+）2.35、E（K+）0.01、E（Na+）0.01。

2.2试验方法

2.2.1累托石对污染土壤处理试验

试验共设4个处理，累托石加入量分别为土壤质量的0%、5%、10%、15%，每个处理称取土壤样品200g（风干土样），加入累托石混匀，加水80mL，保持润湿状态培养2周，培养结束后将样品风干，过2mm筛，作为试验样品。

2.2.2试验样品重金属总量及有效态测定

对试验样品重金属元素Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Hg、As进行总量、水溶态、离子交换态测定。

重金属总量测定方法：称取试验样品于聚四氟乙烯坩埚中，用HNO3-HCL-HClO4-HF混酸处理，用稀盐酸提取、稀释定容后用ICP-MS法测定Cd、Pb、Cr、Zn、Cu；称取试验样品置于烧杯中，加入稀王水蒸至湿盐状，10%HCl提取，用AFS法测定As、Hg。

重金属水溶态测定方法：称取试验样品于离心杯中，加入蒸馏水（pH值=7）于25±5℃条件下用往复式振荡器振荡2h（200次/min），离心，过滤，提取清液，用ICP-MS法测定Cd、Pb、Cr、Zn、Cu，AFS法测定As、Hg。

重金属离子交换态测定方法：在完成提取水溶态的离心杯中，加入氯化镁溶液（pH值=7±0.2），振荡2h，离心，过滤，提取清液，用ICP-MS法测定Cd、Pb、Cr、Zn、Cu，AFS法测定As、Hg。

3　试验结果与讨论

3.1试验样品重金属总量结果分析

试验样品的重金属总量测定结果见表1～表3以及图1～图4。表中：0为土壤原样，1为加入5%累托石土壤混合样，2为加入10%累托石土壤混合样，3为加入15%累托石土壤混合样；其中样品编号为：ZJS-001采样对应黄石振华化工有限公司，ZJS-002对应湖北恒鑫金属表面处理有限公司，ZJS-003对应大冶有色金属公司冶炼厂，ZJS-007对应金洋冶金股份有限公司，ZJS-008对应湖北鄂中化工有限公司。

表1　处理前后土壤样品Cu/Pb/Zn总量分析结果（μg/g）

表2　处理前后土壤样品Cr/Cd总量分析结果（μg/g）

表3　处理前后土壤样品As/Hg总量分析结果

图1　累托石加入量对Cu总量的影响

图2　累托石加入量对Pb总量的影响

图3　累托石加入量对Zn总量的影响

图4　累托石加入量对As总量的影响

从表1～表3的结果看出，采用累托石作为处理剂，试验样品中Cr总量较高（超过GB15618-1995三级标准）［8］的样品处理后Cr总量最多下降30.16%，Cr总量较小的样品处理效果不明显；土壤样品处理后Cu总量下降，降低幅度为18.81%～28.93%（图1）；经处理的5个样品Pb总量全部下降，降低幅度分别为13.74%～39.01%（图2）；处理后试验样品Zn总量下降，降低幅度分别为8.67%～31.28%（图3）；Cd总量较高的ZJS-003经处理后最大降幅为21.92%，其他几个样品效果不明显；经处理的5个样品As总量全部下降，降低幅度分别为29.00%～43.16%（图4）；累托石处理对降低土壤Hg总量的效果不明显。

3.2试验样品水溶态重金属结果分析

试验样品的水溶态重金属测定结果见表4～表6及图5～图8。

表4　处理前后土壤样品Cu/Pb/Zn水溶态分析结果（μg/g）

表5　处理前后土壤样品Cr/Cd水溶态分析结果（μg/g）

表6　处理前后土壤样品As/Hg水溶态分析结果

图5　累托石加入量对水溶态Cu的影响

图6　累托石加入量对水溶态Pb的影响

图7　累托石加入量对水溶态As的影响

图8　累托石加入量对水溶态Hg的影响

从表4～表6的试验结果看出，累托石对土壤样品中水溶态Cr的作用不明显；5个试验样品的水溶态Cu均有所减少，减少量为11.2%～42.9%（图5）；水溶态Pb含量较高的ZJS-001加入累托石后，水溶态Pb显著减少，最大减少量98.5%，其他样品由于水溶态Pb过小看不出效果（图6）；累托石对土壤中水溶态Zn效果不明显，处理剂加入量过大会引起水溶态Zn的升高；累托石对土壤中水溶态Cd效果不明显，处理剂加入量过大会引起水溶态Cd的升高；随着累托石的加入，5个试验样品的水溶态As全部下降，减少量为58.3%～82.5%（图7），说明累托石对土壤中水溶态As的处理效果明显；随着累托石的加入，4个试验样品的水溶态Hg均有所减少，减少量为24.4%～85.6%，ZJS-008效果不明显，另外累托石加入量过大会引起样品水溶态Hg升高（图8）。说明累托石对土壤中水溶态Hg有较好的处理效果，但需要控制处理剂用量。

3.3试验样品离子交换态重金属结果分析

试验样品的离子交换态重金属测定结果见表7～表9及图9～图12。

表7　处理前后土壤样品Cu/Pb/Zn离子交换态分析结果（μg/g）

表8　处理前后土壤样品Cr/Cd离子交换态分析结果（μg/g）

表9　处理前后土壤样品As/Hg离子交换态分析结果

图9　累托石加入量对离子交换态Cu的影响

图10　累托石加入量对离子交换态Zn的影响

图11　累托石加入量对离子交换态As的影响

图12　累托石加入量对离子交换态Hg的影响

从表7～表9的结果看出，累托石对试验样品中离子交换态Cr的作用不明显；5个土壤试验样品的离子交换态Cu均有不同程度的减少，减少量为13.3%～39.6%（图9）；累托石对试验样品中离子交换态Pb效果不明显；5个土壤试验样品的离子交换态Zn均有不同程度的减少，减少量为8.7%～82.9%，其中离子交换态Zn含量较高的ZJS-003减少量为45.3%（图10）；离子交换态Cd含量最高的样品是ZJS-003，加入累托石后离子交换态Cd从原样的18.718μg/g降至13.932μg/g，减少量为25.6%，其他样品离子交换态Cd均为升高，但由于离子交换态Cd含量较小，难以说明问题；随着累托石的加入，5个土壤试验样品的离子交换态As均有不同程度的减少，减少量为21.7%～92.7%，处理效果较好（图11）；5个试验样品的离子交换态Hg加入累托石后均有所减少，减少量为39.0%～59.6%，但加入量过大会引起样品离子交换态Hg升高（图12）。说明累托石对土壤中离子交换态Hg有较好的处理效果，但需要控制处理剂用量。

4　结语

（1） 采用累托石作为处理剂对污染土壤进行处理的试验结果表明，经过处理的土壤样品Cu、Zn、Pb、As总量均得到降低，降幅分别为28.93%、31.28%、39.01%、43.16%；土壤样品中Cr、Cd总量较高（超过GB15618-1995三级标准）的样品处理后Cr总量下降30.16%，Cd总量降幅为21.92%；累托石处理对降低土壤Hg总量的效果不明显。

（2） 经过处理的土壤样品水溶态Cu、As、Hg均得到降低，降幅分别为42.9%、82.5%、85.6%；水溶态Pb含量较高的土壤样品水溶态Pb显著减少，最大减少量98.5%；累托石对土壤样品中水溶态Cr、Zn、Cd的作用不明显。

（3） 经过处理的土壤样品离子交换态Cu、Zn、As、Hg均得到降低，降幅分别为39.6%、82.9%、92.7%、59.6%；离子交换态Cd含量较高的土壤样品离子交换态Cd从原样的18.718μg/g降至13.932μg/g，降幅为25.6%；累托石对土壤样品中离子交换态Cr、Pb的作用不明显。

综上所述，累托石可减少污染土壤中重金属Cu、Zn、Pb、As的总量，并能降低污染土壤中水溶态Cu、As、Hg、Pb以及离子交换态Cu、Zn、As、Hg含量，可降低土壤中重金属元素的生物有效性，是一种具有潜力的修复土壤重金属污染的非金属矿物材料。

【参考文献】

［1］王冬柏，朱健，王平，等.环境材料原位固定修复土壤重金属污染研究进展［J］.中国农学通报，2014，30（8）：181-185.

［2］朱健，王韬远，王平，等.硅藻土基多孔吸附材料的制备及其对Pb2+的吸附［J］.中国环境科学，2012，32（12）：2205-2212.

［3］林大松，刘尧，徐应明，等.海泡石对污染土壤镉、锌有效态的影响及其机制［J］.北京大学学报（自然科学版），2010，46（3）：346-350.

［4］陈炳睿，徐超，吕高明，等.6种固化剂对土壤Pb、Cd、Cu、Zn的固化效果［J］.农业环境科学学报，2012，31（7）：1330-1336.

［5］曾卉，徐超，周航，等.几种固化剂组配修复重金属污染土壤［J］.环境化学，2012，31（9）：1368-1374.

［6］江涛，刘源骏.累托石［M］.武汉：湖北科学技术出版社，1989.

［7］龚关，肖宇鹰，李莹，等.钠化改性对累托石粘土防水性能的影响研究［J］.中国非金属矿工业导刊，2013（3）：21-23.

［8］国家环境保护总局.GB15618-1995 土壤环境质量标准［S］.北京：中国标准出版社，1995.

【修回日期】2015-09-25

【中图分类号】X781.5；X53

【文献标识码】A

【文章编号】1007-9386（2016）01-0023-04

【收稿日期】2015-08-14

Influence on Effective State of Heavy Metal in Contaminated Soil by Rectorite

GONG Guan， XIAO Yu-ying， WANG De， YU Xiao-qi， LI Ying， SUN Jin-long， LIAO Ming
（Hubei Province Geological Experimental Testing Center， Wuhan 430034， China）

Abstract:Under modified by rectorite， it is proceed that experimental research of effective state of heavy metal in contaminated soil. Experimental results show that rectorite could reduce total capacity of Cu， Pb， Zn， As， water-soluble capacity of Cu， Pb， As， Hg and ion exchange statecapacity of Cu， Zn， As， Hg. Rectorite could decrease bioavailability of heavy metals in soil.

Key words:rectorite； contaminated soil； heavymetal