纳米羟基磷灰石在重金属污染土壤治理中的应用研究

马 涛

（太原学院，山西 太原 030002）

重金属污染为当前全球范围内被格外关注的问题之一，尤其是复合重金属的污染问题尤其需要被关注。重金属对土壤的污染越发严重，其主要表现为高积累性和不可逆转性。因此，针对土壤重金属的污染单纯地通过控制污染源无法实现对土壤重金属的彻底根除[1]。目前，含磷材料已经用于对土壤中重金属的治理；为进一步提升对土壤中重金属的根治，考虑到纳米材料具有高比表面积和反应活性、吸附特定等优势，本文开展纳米材料与传统羟基磷灰石联合应用于对土壤中重金属治理研究。

1 黄棕土壤重金属治理研究

一般情况下，重金属作为过渡元素其特点主要表现为多价态、强活性的特性；由于不同区域的土壤在水分、温度、pH 等方面的指标存在较大的差异，导致重金属在土壤中存在的形态多样化。其中，土壤中的水溶性重金属可作为植物的吸收物质，可对农业生产具有一定的指导意义；土壤中的残渣态重金属的活性和毒性较小[2]。总的来讲，可将土壤中的重金属形态分为水溶性、交换性、碳酸盐结合性、铁锰氧化物结合性以及有机物结合性6 种形态。

本文所研究的黄棕土壤中Pb、Cd、Cu 和Zn 的含量超标，本节将通过实验的方式对分别采用骨粉、微米级羟基磷灰石和纳米级羟基磷灰石3 种试剂对土壤中重金属的治疗效果进行分析[3]。基于《土壤农业化学分析方法》对所研究土壤的理化性质进行分析，并采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对其中各元素的含量进行测定，测定结果如表1 所示。

表1 黄棕土壤理化性质测定结果 mg/kg

如表1 所示，黄棕土壤中铅、锌、镉和铜重金属已经远大于标准值；实地调研可知，由于土壤重金属的污染已经对当地的生态系统造成破坏。除表1 的测试结果外，该土壤的pH 值为7.16，其中的阳离子交换量为0.212 mol/kg。

2 实验设计及方法

将样本根据实验要求进行分类，分别对不同种类、不同质量材料对土壤中重金属的治理效果进行对比。以纳米羟基磷灰石为例，除了对照组外，按照磷与铅摩尔比为0.5、1、2.0 和4.0 在样本添加对应的含磷材料，并混合均匀[4]。对上述处理的实验材料中加入矢量的去离子水，并将其在25 ℃的环境下培养60 d。

为分析得出不同含磷材料对土壤中重金属的治理效果，根据土壤中的pH 值和缓冲量制备特定的提取液缓冲液。结合本节所研究土壤的特点制备提取液的流程如下：将5.7 mL 的冰醋酸置于1 L 的蒸馏水中，将其pH 值控制在2.88±0.05 之间；本实验所采用的缓冲液采用浓度分别为1 mol/L 的硝酸和氢氧化钠进行混合，并按照与样本质量为20∶1 的量加入缓冲液[5]。

3 实验结果分析

在上述实验设计和方法研究的基础上，对不同含磷材料对土壤中重金属的有效态含量和重金属的形态变化进行对比。具体分析如下：

3.1 不同含磷材料对应土壤中重金属的有效含量对比

通过对多组数据进行分析，得出不同含磷材料对应土壤中重金属的有效含量对比，以对土壤中Cu 的有效含量为例，实验结果如表2 所示。

表2 不同含磷材料对应土壤中Cu 的减少量

如表2 所示，对于同一种含磷材料而言，随着摩尔比的增加，对土壤中重金属铜的减少量不断增加，区别在于减少幅度存在一定的差异。而当含磷材料的摩尔比为0.5 时，对应采用骨粉材料对土壤中铜的治理效果最好；当含磷材料的摩尔比为1 时，3 种含磷材料对土壤中铜的治理效果相当；当含磷材料的摩尔比大于1 时，对应采用纳米级羟基磷灰石对土壤中铜的治理效果最好。

以对土壤中Cd 的有效含量为例，实验结果如表3所示。

表3 不同含磷材料对应土壤中Cd 的减少量

如表3 所示，对于同一种含磷材料而言，随着含磷材料用量的增加，土壤中镉的有效含量不断减少；从整体上讲，纳米级羟基磷灰石对土壤中镉的治理效果越好，其次为骨粉和微米级羟基磷灰石。

综合分析可知，含磷材料可以有效降低土壤中的铜、锌、镉以及铅等重金属；而且，随着含磷材料用量的增加，土壤中重金属的有效含量不断减少。纳米级含磷材料对土壤中重金属的治理效果越好；而且，纳米级含磷材料对施加量更加敏感[6]。对于不同重金属的治理效果而言，含磷材料对铅的治理效果最强，其次为铜、镉和锌。

3.2 不同含磷材料对应土壤中重金属形态的对比

在25 ℃的环境下培养60 d 后，对土壤中重金属的残渣态的含量进行对比。以土壤中铅和铜的残渣态为例，实验结果如表4、表5 所示。

表4 不同含磷材料反应后土壤中铅的残渣态质量分数对比

表5 不同含磷材料反应后土壤中Cu 的残渣态质量分数对比

如表4、表5 所示，对于同一种含磷材料而言，随着用量的增加，对应土壤中铅和铜的残渣态不断增加；对于同一用量的含磷材料而言，纳米级羟基磷灰石对应土壤中铅的残渣态最多，即说明对重金属的治理效果越好。

综上所述，纳米级羟基磷灰石相比于微米级羟基磷灰石和骨粉对应土壤中重金属的治理效果越好；而且，当摩尔比为4 时对应土壤中重金属的治理、修复效果越好，其中对铅的治理效果越好，其次为铜和镉，最后为锌[7]。

4 结语

近年来，随着化工工业的发生，在前期缺乏对环境的保护，导致土壤遭到重金属的严重污染。实践表明，单纯的抑制污染源无法实现对重金属污染的根治。本文重点探讨了土壤中重金属的治理效果。其中，纳米级羟基磷灰石相比于微米级羟基磷灰石和骨粉对应土壤中重金属的治理效果越好；而且，当摩尔比为4 时对应土壤中重金属的治理、修复效果越好，其中对铅的治理效果越好，其次为铜和镉，最后为锌。