矿物材料修复重金属污染的研究进展

张宝强

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075）

众所周知，全球土壤质量日趋恶化，发展中国家土壤污染日益加剧，使得人类赖以生存的环境受到破坏[1]。目前，我国土壤污染防治形势十分严峻，呈现出污染途径和污染源众多、原因复杂、新老污染物混合并存等复杂问题，对食品安全、生态环境、人体健康和农业的可持续发展形成了巨大的威胁[2]。我国土壤问题主要表现在3个方面：土壤受重金属污染加剧；重金属污染土壤的危害巨大；污染土壤的防治与修复基础较差。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。这些重金属污染物通过不同的途径进入土壤，给环境土壤带来了巨大的威胁[3-5]。本文通过对前人的工作进行综合论述，意在阐明不同环境矿物材料对重金属污染土壤修复的重要意义。

1 土壤重金属污染概况

1.1 重金属污染

重金属是指比重大于5的金属（一般来讲，密度大于4.5 g/cm3的金属），包括镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）等。环境污染方面所说的重金属主要是指汞（Hg）、镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）以及类金属砷（Sn）等生物毒性显著的重元素。土壤重金属污染通常被称为“隐形杀手”，潜伏时间长，迁移性能较差，难以被修复，危害程度不亚于空气污染与水污染[6]。

1.2 重金属污染的危害

重金属的污染来源广泛，其主要来源是人类的采矿、冶炼技术等现代工业的发展，开采过程中随意堆放、不采取保护措施。一些工厂在加工完后对废水废渣不进行处理，随意排放。另外，重金属在土壤中难以降解，越积越多。这使得环境中出现较多重金属污染源。

重金属在土壤中很难被生物降解，进入土壤后容易被土壤胶体吸附，与土壤中的无机物、有机物形成配合物，或与其他物质形成难溶盐，被植物或其他生物吸收[7]。土壤被重金属污染后，其理化性质受到损害，引起土壤的结构、功能和组成产生变化，质量下降，自净能力逐渐降低，使得重金属在生物链的作用下成千百倍地富集累积，被人间接吸收，逐渐进入人体内和蛋白质、酶等发生相互作用，使其失去活性从而在人体的某些器官累积，累积到一定程度引起慢性中毒，直接威胁人类健康。同时，重金属含量较高的污染表土在自然力的作用下很容易进入大气和水中，引起大气和水的污染，造成生态环境污染[8]。为了实现土壤的高效可持续利用，保障人类食品的安全，人们需要尽早提出切实可行、经济高效的土壤重金属修复技术。

2 环境矿物材料修复重金属污染的研究现状

2.1 环境矿物材料的概念及其特性

环境矿物材料通常是指由矿物（岩石）及其改性矿物组成的与生态环境具有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类环境矿物材料[9]。环境矿物材料基本性能包括矿物表面吸附、结构调整、孔道过滤、离子交换、物理效应、化学活性、纳米效应及与生物交互作用等，据其性能可分为天然、人工和改性环境矿物材料[10]。天然环境矿物材料是指未改变环境矿物材料成分和结构的原材料，如铁锰金属矿物、沸石、黏土矿物等。环境矿物材料除了具备一般环境矿物材料的特点外，还具备修复环境功能。因此，环境环境矿物材料在大气污染、水体污染、土壤污染的处理修复中发挥着有效的作用。

2.2 环境矿物材料对重金属污染土壤的修复现状

随着科技的不断发展，现代技术、环境保护等对环境矿物材料的需求日益增加，使得环境矿物材料的研究较快 。环境矿物材料在修复重金属污染土壤方面，以其廉价易得、无二次污染受到广泛关注，同时环境矿物材料的相关研究也取得了一定的进展。何宏平等通过吸附试验发现，蒙脱石、高岭石、伊利石三种环境矿物材料对 Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+五种重金属离子具有选择性吸附作用，蒙脱石对Cu2+、Cr3+的吸附量分别为5.017 mmol/kg和17.692 mmol/kg，高岭石对Pb2+、Zn2+的吸附量分别为1.748 mmol/kg、0.112 mmol/kg，伊利石对Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附量为0.917 mmol/kg、0.122 mmol/kg、0.077 mmol/kg， 因 此蒙脱石对Cu2+、Cr3+吸附性较好，高岭石和伊利石对Pb2+、Zn2+、Cd2+具有较强的亲和力[10]。

不同环境矿物材料吸附重金属离子，受环境矿物材料层电荷分布、重金属离子电价、水化热、离子半径等因素控制。锂辉石、长石、绿柱石、石英等硅酸盐矿物在适宜的条件下提高了土壤的pH，使重金属形成沉淀，并通过表面螯和交换吸附对重金属离子（Pb2+、Cu2+、Fe3+、Ca2+）形成一定的吸附效果。锂辉石具有很强的金属阳离子吸附能力，金属阳离子多被吸附于离子交换位，长石、石英、绿柱石的结构以四面体为主，四面体的一个氧与吸附的重金属离子配位 。以石灰石、白云石等为主的碳酸盐类矿物材料主要通过改变土壤的pH，促进土壤组分与重金属离子形成难溶的碳酸盐岩沉淀来增加对重金属的固定作用。

3 环境矿物材料的特性分析

自然界存在很多种环境矿物材料，其之所以能够处理修复环境污染，不单单是所表现的吸附作用。环境矿物材料的净化功能主要体现在大的比表面积、孔隙多、适宜的孔结构表面结构、对吸附质有强烈的吸附性、膨胀性和离子交换性，一般不与吸附质和介质发生化学反应，使土壤能够有一定的自净作用。目前应用在污染治理中的环境矿物材料多达几十种。环境矿物材料可以用于治理土壤、水体、大气污染，在环境治理应用中取得了一系列重大进展和突破。大多数环境矿物材料因其特有的矿物成分和结构特征而具有离子交换、吸附、分离、过滤、催化等良好的物理化学性能，对环境中的污染物有着独特的功效。

矿物材料储量丰富，很少经过加工或加工处理相对简单，廉价易得，对治理环境有着巨大的经济效益和社会效益。因此，环境矿物材料在治理污水、大气、固体废弃物中发挥着有效作用，其优良性能为环境保护开拓了广阔的应用前景。环境矿物材料不仅能够处理“三废”，还应用在高科技发展产生的新污染，如各种辐射、电磁场、噪声等的处理；其作为自然界的无机矿产，与环境有着共生和协调性，可治理污染、修复环境；基本都能循环利用，污染小，在一般技术不能解决的污染问题方面能发挥特有的作用，这是物理、化学等常规方法所不能比拟的，有着良好的处理修复效果。可作为吸附剂的环境矿物材料主要有：蒙脱石、凹凸棒石、沸石、伊利石、高岭石、海泡石、蛭石、硅藻土等。其中常用于修复土壤重金属污染的黏土矿物有：蒙脱石、凹凸棒石、沸石、高岭石、海泡石、蛭石和伊利石等。硅藻土早期主要在过滤材料、保温材料等方面的研究应用较多，而作为吸附重金属离子的研究在近几年才开始 。

4 结语

环境矿物作为修复重金属的新兴材料，在重金属污染修复的应用中具有廉价易得、效果好、可循环利用、不易改变土壤结构和出现二次污染等优点，能够解决一般修复材料不能解决的污染问题，因此环境矿物材料在修复重金属污染方面具有良好的应用前景。利用环境矿物材料解决重金属污染问题是现阶段矿物学领域和环境保护领域研究的重点，其在重金属污染修复和环境保护中将发挥不可替代的作用。值得注意的是，环境矿物材料从实验室到实际场地的重金属修复与治理还有许多问题急需解决。开发新型的环境矿物材料不仅可以大幅度降低重金属污染修复的成本，还会产生较为明显的社会和经济效益，这将是今后环保领域的研究和发展方向。