环境磁学对重金属污染监测的研究进展

刘红斌

（山西省长治市武乡县环境监测站， 山西 武乡 046300）

在我国社会发展、产业结构调整和经济发展方式转变的进程中，城市环境质量也不断遭受到不同污染的侵袭，尤其遗留下大量重金属污染场地，这些重金属污染元素包括毒性及危害性较大的Hg、Cd、Pd 等，因此亟需进行监测、评估与治理[1]。环境监测是确定环境质量或污染程度及其变化趋势的方法，进行环境监测是开展一切环境工作的前提。然而，对重金属污染监测而言，单纯采用化学方法具有一定局限性，难以快速监测出重金属污染的状况[2]。环境磁学是利用古地磁学和岩石磁学的技术与方法，去研究岩石磁性与环境变化的关系的一门新兴的边缘学科。目前，环境磁学方法以其简便、快捷、经济、无害以及灵敏、信息大（包括磁性矿物的种类、含量、粒度等）等特点，在城市重金属污染研究中广为应用[3]。本文主要通过文献调研，综述环境磁学对重金属污染监测中的应用与研究进展，探讨环境磁学方法对重金属污染监测研究中的发展趋势。

1 地表重金属的主要来源

工业化和城市化的快速发展，为人类生活带来极大便利的同时，也加剧了城市土壤中重金属污染的恶化程度。具体而言，城市地表重金属来源复杂多样，主要分为自然源和人为源。其中，人为源相对比较复杂，是导致地表重金属暴露的重要原因。据大量研究表明，地表重金属的主要来源如图1 所示[4]。

同时，有研究发现，地表中的Mn、V、Ni 等重金属大多属于自然源；Cu、Pb、Zn 主要源于汽车交通污染，Zn 主要来源于汽车轮胎磨损所产生的粉尘，Cu、Pb 主要来自于尾气[5]。

图1 地表重金属的主要来源

2 环境磁学的产生与发展

城市土壤质量退化会对人类健康和生态系统造成严重威胁，探究城市土壤污染程度及其潜在的毒性金属来源至关重要。环境磁学是基于磁化率和岩石磁参数变化的研究方法，研究发现，人类活动会释放出大量强烈的磁性颗粒，且其与重金属之间存在较好的相关性，同时人类活动产生的磁性粒子可能包含其起源信息，因此可以利用磁测量来追踪磁性颗粒的目标点，进行监测大规模污染及识别工业污染来源类型[5]。此外，磁性测量具有简单、快速、成本低、无破坏性，可替代相对复杂、耗时、昂贵的传统地球化学方法。近十多年来，作为一种适合的替代技术，环境磁学监测重金属污染在应用方面取得了成功，在环境污染监测、污染源判断等方面得到广泛应用。如，工业冶炼粉尘、飞灰等中含有较大量的铁，呈现的磁性较高，这些粉尘积累导致土壤表面磁化率显著增强；磁测特别适宜大范围污染快速监测，判断污染分布和程度；磁测对PM2.5 十分敏感，可以实现连续动态快速监测大气污染；在小范围场地中，磁测适宜现场原位判断污染区域和水平等[6]。

3 环境磁学监测重金属污染的理论基础

冶金、煤炭燃烧等在作业过程中均会产生细小磁性颗粒物质，道路交通活动也会释放出大量重金属和强磁性的含铁粒子。磁性颗粒物质通常与重金属具有一定关系，而不同来源的工业粉尘具有不同的磁特征，由于磁测的敏感性，即使微量磁颗粒的存在，磁测量也可以容易的检测到，因此磁测量可以监测其他化学方法监测限以下的浓度，为监测重金属污染水平和判断其来源提供帮助[7]。

各种工业排放污染物的分析证明，各种工业和人类活动排放的重金属与磁性颗粒同时排放，如燃烧产生的磁性颗粒含有高浓度重金属，即磁性颗粒是重金属的强吸附剂和载体。环境磁学监测重金属污染就是建立在磁性颗粒是重金属的吸附剂和载体的基础上，利用磁性与污染物浓度关系，可以定量监测重金属污染状况，因此磁颗粒可作为评估重金属污染的替代指标，根据二者浓度的定量关系可定量环境介质中重金属污染水平[8]。

值得注意的是，虽然大量的研究建立了污染土壤中磁性与重金属的定量关系，但是这种关系是建立在假说基础上，尚缺乏实验证明，从分子水平解释氧化铁-重金属离子的化学健、结合方式等，阐明重金属的污染途径和环境风险，针对性地提出治理途径，是国内外一直致力解决解决的难题之一[9]。

4 土壤和灰尘中重金属污染的磁学监测

4.1 土壤和灰尘中磁性颗粒与溯源追踪

作为重金属污染物载体的磁性颗粒具有形成过程和机制的指纹，因此磁性指纹为追踪重金属的环境行为和去向提供了新途径。Sapkota et al.，2012 研究显示，大气沉降是土壤重金属污染源之一，钢铁厂等污染源大气粉尘对土壤污染主要发生在表土5~10 cm 范围；燃煤电厂排放的球粒状磁性颗粒在土壤中十分稳定，利用磁性颗粒在土壤剖面的垂直移动监测可反映污染历史[10]。

了解污染物在土壤环境中的行为和归趋，是有针对性地开展污染治理的前提。人为成因磁性颗粒具有污染源和形成过程的指纹信息，然而土壤中污染成因的磁性颗粒的行为受到许多因素影响，且现有重金属的归趋研究多是建立在含量和化学形态分析上，因此明确污染成因磁性颗粒在不同条件下的变化和影响因素，利用其与自然环境中的原生及次生磁性矿物存在的显著差异，以及磁测技术监测污染物在土壤中的行为和归趋，建立利用磁性指纹监测重金属污染过程和归趋的磁示踪技术，反映重金属在土壤剖面中的迁移情况和污染历史等信息，对阐明各种工业和人为活动污染有独特的优势和应用价值，有利于针对性地提出污染阻控和治理的途径[11]。

4.2 土壤和灰尘中磁学特性与重金属的定量关系

近年来，国内外都试图解决磁性与重金属含量定量关系的关键问题，同时通过分离各种污染土壤和污染物中的磁性颗粒，证明了污染土壤中磁性颗粒对重金属的富集作用[11]。在磁性载体鉴别方面，环境磁学是表征氧化铁、硫化铁或碳酸铁等晶格中Fe2+和Fe3+化学变化的重要手段，在物质来源追踪、环境污染等领域发挥了积极作用；扫描电镜-能谱技术是磁性矿物组成和形态研究的主要技术，且具有操作简单、分析速度快以及结果直观等特点，可提供磁性颗粒的来源和形成过程等信息，为土壤中重金属污染监测与分析提供有力的基础资料[12]。此外，有许多方法用于土壤中磁性矿物鉴别，如XRD、化学选择性溶解等，然而这些方法仍存在一定的缺陷，无法提供不同磁性矿物-重金属相互作用机制的信息[10]。

现代高空间分辨率的显微技术和高能高强度光谱技术的结合，使建立单个颗粒的重金属指纹图谱成为可能，解决了基于总体样品分析方法的可信度减弱的问题。大气污染研究中，同步辐射X-射线荧光分析（μ-XRF）已应用于PM2.5 的元素分析；软X射线磁圆二色（XMCD）技术是表征和深入研究磁性特性的重要技术手段；同步辐射X 射线吸收结构谱（XAS）技术在分子水平上给出目标元素周围的局部结构和化学信息，成为环境中固相形态表征及固-液界面反应机制中的新技术；同步辐射μ-XRF 及XAS 技术是研究土壤中重金属形态的重要手段。但由于测试机时的限制等原因，同步辐射技术尚未成为环境土壤学领域的常规方法[13]。

4.3 土壤和灰尘中重金属污染的磁学监测

大量研究证明，各种工业和人类活动排放的粉尘富含磁性颗粒，受其影响的环境物质如土壤等均表现出显著的磁性增强现象，能反映土壤污染的形成、空间分布、历史演变等[14]。同时，由于不同起源的磁性颗粒具有不同的磁信号，根据不同起源磁性颗粒的含量、矿物种类、粒径等特征，使得这些磁信号构成了有助于污染物溯源的“磁性指纹”。如，利用污染土壤和粉尘的磁性参数及组合，结合不同工业过程排放的磁颗粒的特征，可以鉴别与区分不同污染成因的磁信息，能较好地区分磁性颗粒的成因。相关研究表明，滞尘树叶、地衣等的磁性与大气PM 浓度密切相关；对各种灰尘的定量分析发现，灰尘的磁信号反映了重金属的污染范围、程度以及污染源；不同污染成因的磁颗粒蕴含着磁性起源的指纹信息，如燃煤、钢铁、水泥工业排放的磁颗粒，利用磁性指纹建立污染物磁信息数据库，能有效地进行污染溯源、污染范围与程度监测及历史反演等，为磁测监测环境污染提供科学依据[15]。当前，国内外对燃煤、交通、钢铁工业排放的污染物磁信息已通过各种各样的手段、方法及经验验证等有了系统研究，需要开展对电子垃圾处理、生物质燃烧等产生的污染物磁信息研究，提出不同成因磁颗粒在结构、形态、浓度及粒径等上的区别，以判断其来源，以针对性地提出污染阻控和治理的途径[16]。

另外，现有的各种环境介质磁测反映的是一种“静态”信息，而污染物在环境中“动态”磁信息及变化尚未被认识和利用，为此未来可以考虑建立追踪污染过程和行为的新方法，以进一步更准确全面的为磁测监测环境污染提供科学依据。

5 结语

土壤重金属污染是造成土壤污染的主要原因，已成为威胁人体健康、公共安全和社会稳定的重要因素之一。环境磁学方法以其简便、快捷、经济、无害以及灵敏、信息大（包括磁性矿物的种类、含量、粒度等）等特点，在城市重金属污染研究中广为应用。然而，现有的各种环境介质磁测反映的是一种“静态”信息，而污染物在环境中“动态”磁信息及变化尚未被认识和利用，为此未来可以考虑建立追踪污染过程和行为的新方法，以进一步更准确全面的为磁测监测环境污染提供科学依据。