一种新型环境修复材料的制备及其功能分析*

阿旺次仁，彭怀丽，朱昌雄**，李 峰，李锺斗，方建雄，李红娜**



一种新型环境修复材料的制备及其功能分析*

阿旺次仁1，彭怀丽1，朱昌雄1**，李 峰1，李锺斗2，方建雄3，李红娜1**

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域团队/农业部农业环境重点实验室, 北京 100081；2. 韩国（株）量子能技术研究所，仁川431-804；3. 韩国纽约州立大学QELBY研究院，仁川406-840）

以韩国特有的五色长石黏土矿物为原料，经特殊方式加工后制成一种新型环境修复制剂（简称QE粉末）。为了探索该新型材料的基本理化性质及其在环境修复领域的应用潜质，分别研究了QE粉末对铁钉氧化及水体pH值和非接触条件下对水体理化性质的影响，以及QE粉末自身表面放热的情况。结果表明：与常规的sio2粉末及空白对照相比，QE粉末能降低铁钉在盐水中的氧化程度；其抗氧化性通过铁钉在盐水中氧化形成的沉淀物（Fe2O3）表征，QE粉末形成的棕红色絮状物最少，说明其抗氧化性最好。此外，QE粉末能调节水体pH值，并稳定在7.5左右。在非接触条件下，QE粉末可平衡水体pH值，提高水体温度，降低水体氧化还原电位；其对水体的密度、表面张力等理化性质也均有一定影响。对QE粉末表面的热分布场的测试结果表明，QE粉末的放热比SiO2粉末增加0.1～0.6℃。最后，对QE粉末在盐碱土壤改良、石油土壤修复、水体富营养化和堆肥资源化等方面的潜在应用价值进行探讨。

盐碱土改良；石油土修复；水体富营养化治理；堆肥资源化；环境友好制剂

黏土矿物以其优越的理化性能和低廉的价格，在环保领域有着广阔的应用前景。天然黏土矿物由于具有特殊的物理、化学、生物活性性质[1-2]，近年来在环境修复领域的研究与应用日趋增加。如何充分利用黏土矿物的这些特性及其作用，并提炼出其有效矿物质成分，是相关研究的关键。以韩国特有的五色长石黏土矿物为原料，经特殊方式加工后制成的新型环境修复制剂（简称QE粉末），作为一种多功能、多用途的高新材料，在很多领域都表现出很大的应用潜力。Bahng等[3]研究表明，在纺织纤维中加入QE粉末，可以使纤维的蓄热及保温功能优于其它普通纤维纺织品。Lee等[4]对QE粉末的电气性能的研究表明，QE粉末在湿润和干燥条件下均具有优良的导电性能，其阻性电流在湿润和干燥条件下分别为90μA和0.8μA，Zeta电位为-37.4mV，研究认为，QE粉末的这些特性，对于其作为电气设备制作的材料，具有潜在的应用价值。目前，QE粉末已被应用于韩国当地的作物种植中，主要用于提高农作物的产量及品质，并在韩国的农业生产中得到认可，同时，QE粉末也被应用到纺织行业，作为新兴纺织材料和保健材料进行生产。然而基于其在环境修复领域的应用及功能分析的研究尚未见报道。QE粉末由黏土矿物加工而成，其不仅具备黏土矿物在环境修复中的潜力，同时还具备黏土矿物未曾报道的一些特性。黏土矿物可作为钝化剂，修复土壤中有害重金属污染[5]；在水体污染修复中，黏土矿物对于水体中氮、磷等具有去除效果[6]；在废弃物堆肥资源化利用过程中，黏土矿物可作为吸附剂及调理剂，控制堆肥过程中氮素的流失[7]。因此，综合黏土矿物在环境修复领域的作用，探究QE粉末的特殊性质，对于进一步应用QE粉末作为环境修复制剂十分必要。本文以QE粉末作为实验对象，以蒸馏水和盐水作为环境介质，以黏土矿物中主要成分SiO2粉末作为阴性对照，通过考察QE粉末在盐水中的抗氧化特性，探讨其在环境介质中对物质的稳定作用，并通过对水溶液理化性质的影响实验，探讨其对环境介质的调理作用；同时，综合QE粉末的自身放热特性，初步探讨其在农业环境修复中的应用潜力和意义，以期为污染环境修复提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验所用材料QE粉末由韩国（株）量子能技术研究所提供，该材料由韩国庆南地区采集的特有的长石类五色黏土矿物（Osaekhyulto）制成，具体制备步骤为，将采集的黏土矿物磨成粉状并过320目筛，将其中对人体有害的重金属和放射性物质分离。提纯分离后制成的粉末在820℃煅烧20h，再将黏土粉末与蒸馏水以1:1的重量比进行混合，同时添加比重为0.01％的有机质，有机质主要成分为植物根、茎、叶萃取物，将混合物在室温下发酵90d，180℃下加热并干燥。最后，形成富含矿物质活性成分的QE粉末，其成分含量如表1所示。

本实验中用到的所有化学试剂均购自国药集团某公司。

表1 QE粉末主要成分含量（%）

1.2 实验设计

实验于2015年在韩国进行，分4个部分，分别考察QE粉末对铁钉氧化的影响、平衡水体pH值、对水体理化性质作用及其自身放热性能。

（1）QE粉末对铁钉氧化的影响

在3支50mL离心管中均加入30mL饱和盐水、10mL去离子水和一根6cm长铁钉，分别加入4gQE粉末、4gsio2粉末，以不添加粉末为对照，每个处理3个重复，在室温下放置4d后，观察盐水的变化、铁钉氧化程度以及溶液中沉淀物的量。以此表征QE粉末的对铁钉氧化作用的影响。

（2）QE粉末对水体pH值的影响

在3个具塞锥形瓶中均加入200mL自来水（初始pH值为5.3～5.4），再分别放入2gQE粉末、2gsio2粉末，以未添加粉末为对照，每组处理各3个重复。在30min、1h、2h、3h、4h后测定上层水溶液的pH值。

（3）QE粉末在非直接接触条件下对水体理化性质的影响

在装有30gQE粉末，直径为10cm的培养皿上，放置装有40mL水的三角瓶，达到粉末与水溶液不直接接触的目的，分析在非直接接触水体的条件下QE粉末对水体pH值、氧化还原电位、温度及其它理化性质的影响。

（4）QE粉末放热特性实验

将3组装有50gQE粉末和50gsio2粉末的培养皿，分别通过红外热成像仪在波长7.5～13µm范围测定QE粉末及sio2粉末的表面平均温度，并对比QE粉末与sio2粉末的表面温度差，以表征QE粉末的放热特性。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 铁钉氧化作用观察

铁钉氧化实验的离心管在室温下放置4d后，观察铁钉氧化程度及溶液中沉淀物的量。铁钉在接触水和空气的条件下会极易氧化生成棕红色的氧化铁（Fe2O3），铁钉上絮状物、溶液中沉淀物越多，说明铁钉被氧化的程度越高，反之，则说明被氧化的程度低。

1.3.2 水体理化性质及放热特性测定

水体pH值和氧化还原电位采用梅特勒F20测定，电导率由雷磁DDSJ-308F测定，水体温度用温度计测量。表面张力、密度、介电常数分别由德国产DCAT21型全自动表面张力仪、MH-300G密度比重测定仪、Rufuto 871液体介电常数测定仪，QE粉末及sio2粉末表面温度场由FLIR T650sc便携式热像仪测定。

1.4 数据处理及分析

采用Origin 9.0作图，用Excel2010统计分析实验数据。

2 结果与分析

2.1 QE粉末对铁钉氧化的影响

3组处理中的铁钉经过4d的氧化过程后，投入QE粉末的处理组形成少量棕红色沉淀物，而对照组和sio2粉末处理组形成的沉淀明显多于前者（图1）。通常条件下，铁钉遇到水和空气会发生氧化反应，形成主要成分为Fe2O3的铁锈，盐水环境更能加快铁钉的生锈。从图可以看出，铁钉在添加QE粉末的相同环境条件下被氧化的程度低，说明QE起到了一定的抗氧化作用。

2.2 QE粉末对水体pH值的影响

由图2可见，添加QE粉末30min后，水体ph值由初始的5.3～5.4上升至7.5左右并趋于平衡，保持偏中性状态，而对照和sio2粉末处理组在5h内ph值基本无变化（图2）。说明QE粉末具有调节水体ph值、使水溶液ph值趋于中性的功能。具有类似特性的矿物在国内外文献中也有报道，邱珊等[8]在电气石自发电极性对水溶液pH值影响的研究中表明，在100mL不同pH值的水溶液中投入一定量的电气石后，电气石能调节水溶液pH值至8左右。QE粉末的这种特性不仅对材料本身的研究具有意义，而且在环境修复领域中也具备很大的应用价值。

2.3 QE粉末在非直接接触条件下对水体理化性质的影响

QE粉末是通过对天然矿物进行特殊加工制得的一种新型环境友好材料，具有一定的远红外辐射功能[3]，其在40℃下波长为5～20μm，比辐射率为0.927。据文献报道[9]，远红外线辐射会形成较强的辐射宽带，水在远红外辐射能量的作用下，大分子团发生裂解分离，由原来的数十个或更多分子组成的水分子团簇变成由6～8个水分子组成的小分子团，即小分子团水。水不仅以H2O单分子形式存在，更主要的是由若干水分子通过氢键结合形成的水分子团簇结构存在，这些团簇结构的形成对水的性质及其生物学效应具有重要影响[10]。自然条件下，水的微观结构具有重要的生物功能。因此，有研究认为[11]，改变水分子簇的大小可以使水在生物体中的作用发生改变。例如，减少水分子簇中的分子个数，可以增加水的生物膜透过率，增强生物体的新陈代谢功能，达到改善生物体的效果。水分子团簇结构改变成六角结构，水分子团簇变小，水的溶解力、渗透力、代谢力、扩散力、乳化力均有所增强，从而具有一定的“活化”作用，在一定程度上可以增强生物体的新陈代谢、血脂代谢、酶活性以及免疫功能[12]。

由图3-图5和表2可以看出，QE粉末在非直接接触条件下对水溶液的理化性质有一定影响。通常水体ph值和温度会随着室内温度变化而有微弱变化。在非直接接触条件下，QE粉末处理的水体pH值在12h内的变幅比对照更大，12～24h期间两个处理均呈下降趋势，24h后QE粉末处理的水体ph值趋于平衡，而对照的水体ph值呈上升态势（图3），结合图2的结果，说明qe粉末在与水溶液接触的条件下平衡了水溶液的ph值，而在非接触条件下仍对水溶液ph值有一定影响，这一结果对进一步研究qe粉末如何影响水溶液ph值和对环境中的作用具有一定的意义。同时，添加QE粉末的处理组，其水体温度一直高于对照组，说明QE粉末具有放热特性，能够使水体温度升高（图4）。水溶液的氧化还原电位是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性。氧化还原电位越高，则其氧化性越强，氧化还原电位越低，则氧化性越弱。经过48h处理后，含QE粉末的处理组中水的氧化还原电位有明显降低（图5）。此外，非直接接触条件下QE粉末对水的表面张力、密度、比热、导电率及介电常数等性质均有不同程度的改变（表2）。水体pH值、氧化还原电位和温度均能够直接影响其中生物的活性，因此，可以推测，QE粉末通过对水体性质的调节能产生多种生物效应，改善和活化生物体的机能。

表2 非接触式QE粉末处理对水体理化性质的影响

注：介电常数在处理后10d测定，测试频率为10kHz，其它项目在处理后48h测定。

Note: The permittivity was determined after 10d at the test frequency of 10kHz, and others were determined after 48h.

2.4 QE粉末放热特性

通过热红外成像仪在波长7.5～13µm范围内观察QE粉末的热成像，结果见图6。由图中可见，3组装有QE粉末的培养皿表面温度高出SiO2粉末表面温度0.1～0.6℃，说明QE粉末的放热特性在水体净化以及土壤污染修复方面，对微生物的活动具有直接影响，在水体和土壤保温以及保持微生物较强的生长和繁殖速率方面具有非常重要的意义。

注：Spot1、Spot2分别表示SiO2粉末和QE粉末在该点的表面温度，Difference Sp1-Sp2表示SiO2粉末和QE粉末的表面温度差，右侧色标数值为仪器所测出的温度范围。第二组中表面温度差显示为-0.2，与实际温差-0.1不符，是由于仪器精确值为±0.1所致

Note: Spot 1 and Spot 2 indicate the surface temperature of SiO2powder and QE powder at each spot, respectively. Difference Sp1-Sp2 indicates the surface temperature difference between SiO2powder and QE powder. The color-coding numeric range on the right side indicates the temperature range measured by the instrument. In addition, the error margin of the instrument is ±0.1, as a result, difference Sp1-Sp2 in the second set result is -0.2

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）QE粉末对铁钉具有抗氧化的性能，能减少盐水和空气对铁钉的氧化。尽管实验中用到的盐水能够加快铁钉的氧化速率，但添加QE粉末的处理明显降低了铁钉的氧化程度，说明QE粉末对介质中物质的理化性质能起到稳定的作用。

（2）QE粉末能影响水体pH值，并使pH值趋于中性或弱碱性的范围。

（3）QE粉末在非直接接触条件下，降低了水溶液的氧化还原电位，提高了水体的表面张力。在环境修复过程中表面张力的增大能够增强QE粉末对污染物的固着性，氧化还原电位的降低可使水体中溶解的污染物更易氧化降解，此外，QE粉末对水体密度、比热、导电率、介电常数等均有不同程度的影响。

（4）QE粉末具有一定的放热特性，主要表现为QE粉末自身表面的放热性能和对水溶液温度的改变。温度在环境修复过程中起到重要作用，适当提高温度可以有效提高环境中微生物的活性。

3.2 讨论

中国有大幅面积的盐碱土[13-14]，碱化土壤每年仍以较大速率增长[15]，QE粉末对pH的调节功能可以应用于土壤改良研究，有望改善严峻的土壤状况。QE粉末的放热性能可能会增强水体及土壤中微生物的活动与繁殖能力，近年来微生物修复环境以其高效、安全及修复周期短等特性[16]被广泛应用于污染水体及土壤处理中，将QE与微生物制剂结合研究探索其对环境修复的作用具有很大的意义。同时，在畜禽粪便堆肥过程中，QE粉末可作为添加剂，使堆体的环境适应微生物的生长，提升堆体温度并促进堆肥的发酵，提高堆体中微生物的繁殖与代谢，从而在整体上促进堆体的腐熟进程。

QE粉末的原料来自黏土矿物，黏土矿物的凝聚作用本身对水体富营养化治理具有一定的作用[17]，可提高藻细胞的沉降率；QE粉末不仅具备黏土矿物的特性，同时还有改变环境的特殊性能，因此在富营养化水体的治理中也具有很大潜力。

QE粉末能增大水体的表面张力，增强固着性，因此，将QE粉末与其它具有吸附性能的制剂结合处理污染的效果[18]也有待进一步研究。

QE粉末作为一种新型环境修复制剂，相关研究虽刚刚起步，但已受到国内外学者的广泛关注。调节环境污染中的相关因素（pH值、氧化还原电位、温度等），可进一步提高环境中微生物的活性，从而达到修复环境的目的。目前，在水体、土壤修复及堆肥资源化的研究中，生物修复技术具有举足轻重的地位，相比化学或者物理修复技术，生物修复技术的优点在于其可以使污染物完全从环境中去除，对周围环境影响较小，不会产生二次污染，且其资金需要量小。因此，如果将生物修复技术与矿物质环境友好制剂QE粉末相结合，不仅强化了环境修复剂的效果，而且可以促进生物修复的效率。水体和土壤都是受多种因素影响的综合体，因此，不仅要研究QE粉末的短期影响，更要关注它的长期效应；同时，对于QE粉末的研究是一个涉及多学科的交叉课题，具有极高的学术价值和广泛的应用前景。

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Preparation and Function of a New Environmental Restoration Material

Awangciren1,PENG Huai-li1,ZHU Chang-xiong1, LI Feng1, LEE Jong-doo2, FANG Jian-xiong3, LI Hong-na1

(1.Agricultural Clear Watershed Group, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 2.Quantum Energy Research Center, Incheon 431-804, Korea;3.QELBY Institute in State University of New York, Incheon 431-804, Korea)

A new environmental restoration material, namely Quantum Energy (QE) powder, was produced from five-colored typical feldspar family of clay minerals(Osaekhyulto) in South Korea by special processing technology. To explore the function of the QE powder and its potential application in the field of environmental remediation, a set of laboratory experiments were conducted. The effects of QE powder on the degree of oxidation of iron nail in salt solution and the pH value of water were examined; moreover, the influence of QE powder on the physical and chemical properties of water in non-contact manner, and its self-heating effects were also investigated. The results showed that QE powder could decrease the oxidation of iron nail in salt solution. The formation of ferric oxide precipitate in treatment with QE powder was less than that with SiO2and CK, indicating that QE powder would be a better antioxidant. Besides, QE powder could regulate the pH of water, which would stabilize at around 7.5. In non-contact manner, QE powder could balance the pH, increase the temperature, and decrease the oxidation-reduction potential of water. Meantime, it could also affect the water density and surface tension. Moreover, QE powder had a better self-heating capacity, and the temperature per unite surface area of QE powder was 0.1-0.6°C higher than that of SiO2. Therefore, QE powder, due to these unique and special characteristics, has great potential value on the environmental remediation, including saline-alkali land improvement, petroleum contaminated soil remediation, water eutrophication treatment and solid waste composting. Based on the status of environmental remediation at home and abroad, combined with the special functions of QE powder, prospects and recommendations of QE powder in environmental restoration were discussed.

Saline-alkali land improvement; Petroleum contaminated soil remediation; Water eutrophication treatment; Solid waste composting; Environmental remediation agents

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.05.003

2016-01-19**

。E-mail: zhucx120@163.com；lihongna828@163.com

“韩国量子能公司农业用颗粒（丸）粉末及使用方法在中国农业生产中实用效果测试计划”[开（2015）1]；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07101-012-001）

阿旺次仁（1989-），藏族，硕士生，研究方向为农业废弃物资源化利用。E-mail: ngatse@163.com