礦物材料修復重金屬污染的研究進展

張寶強

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，西安 710075）

眾所周知，全球土壤質量日趨惡化，發展中國家土壤污染日益加劇，使得人類賴以生存的環境受到破壞[1]。目前，我國土壤污染防治形勢十分嚴峻，呈現出污染途徑和污染源眾多、原因復雜、新老污染物混合并存等復雜問題，對食品安全、生態環境、人體健康和農業的可持續發展形成了巨大的威脅[2]。我國土壤問題主要表現在3個方面：土壤受重金屬污染加劇；重金屬污染土壤的危害巨大；污染土壤的防治與修復基礎較差。污染類型以無機型為主，有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區土壤重金屬超標范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。這些重金屬污染物通過不同的途徑進入土壤，給環境土壤帶來了巨大的威脅[3-5]。本文通過對前人的工作進行綜合論述，意在闡明不同環境礦物材料對重金屬污染土壤修復的重要意義。

1 土壤重金屬污染概況

1.1 重金屬污染

重金屬是指比重大于5的金屬（一般來講，密度大于4.5 g/cm3的金屬），包括鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）等。環境污染方面所說的重金屬主要是指汞（Hg）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）以及類金屬砷（Sn）等生物毒性顯著的重元素。土壤重金屬污染通常被稱為“隱形殺手”，潛伏時間長，遷移性能較差，難以被修復，危害程度不亞于空氣污染與水污染[6]。

1.2 重金屬污染的危害

重金屬的污染來源廣泛，其主要來源是人類的采礦、冶煉技術等現代工業的發展，開采過程中隨意堆放、不采取保護措施。一些工廠在加工完后對廢水廢渣不進行處理，隨意排放。另外，重金屬在土壤中難以降解，越積越多。這使得環境中出現較多重金屬污染源。

重金屬在土壤中很難被生物降解，進入土壤后容易被土壤膠體吸附，與土壤中的無機物、有機物形成配合物，或與其他物質形成難溶鹽，被植物或其他生物吸收[7]。土壤被重金屬污染后，其理化性質受到損害，引起土壤的結構、功能和組成產生變化，質量下降，自凈能力逐漸降低，使得重金屬在生物鏈的作用下成千百倍地富集累積，被人間接吸收，逐漸進入人體內和蛋白質、酶等發生相互作用，使其失去活性從而在人體的某些器官累積，累積到一定程度引起慢性中毒，直接威脅人類健康。同時，重金屬含量較高的污染表土在自然力的作用下很容易進入大氣和水中，引起大氣和水的污染，造成生態環境污染[8]。為了實現土壤的高效可持續利用，保障人類食品的安全，人們需要盡早提出切實可行、經濟高效的土壤重金屬修復技術。

2 環境礦物材料修復重金屬污染的研究現狀

2.1 環境礦物材料的概念及其特性

環境礦物材料通常是指由礦物（巖石）及其改性礦物組成的與生態環境具有良好協調性或直接具有防治污染和修復環境功能的一類環境礦物材料[9]。環境礦物材料基本性能包括礦物表面吸附、結構調整、孔道過濾、離子交換、物理效應、化學活性、納米效應及與生物交互作用等，據其性能可分為天然、人工和改性環境礦物材料[10]。天然環境礦物材料是指未改變環境礦物材料成分和結構的原材料，如鐵錳金屬礦物、沸石、黏土礦物等。環境礦物材料除了具備一般環境礦物材料的特點外，還具備修復環境功能。因此，環境環境礦物材料在大氣污染、水體污染、土壤污染的處理修復中發揮著有效的作用。

2.2 環境礦物材料對重金屬污染土壤的修復現狀

隨著科技的不斷發展，現代技術、環境保護等對環境礦物材料的需求日益增加，使得環境礦物材料的研究較快 。環境礦物材料在修復重金屬污染土壤方面，以其廉價易得、無二次污染受到廣泛關注，同時環境礦物材料的相關研究也取得了一定的進展。何宏平等通過吸附試驗發現，蒙脫石、高嶺石、伊利石三種環境礦物材料對 Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+五種重金屬離子具有選擇性吸附作用，蒙脫石對Cu2+、Cr3+的吸附量分別為5.017 mmol/kg和17.692 mmol/kg，高嶺石對Pb2+、Zn2+的吸附量分別為1.748 mmol/kg、0.112 mmol/kg，伊利石對Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附量為0.917 mmol/kg、0.122 mmol/kg、0.077 mmol/kg， 因 此蒙脫石對Cu2+、Cr3+吸附性較好，高嶺石和伊利石對Pb2+、Zn2+、Cd2+具有較強的親和力[10]。

不同環境礦物材料吸附重金屬離子，受環境礦物材料層電荷分布、重金屬離子電價、水化熱、離子半徑等因素控制。鋰輝石、長石、綠柱石、石英等硅酸鹽礦物在適宜的條件下提高了土壤的pH，使重金屬形成沉淀，并通過表面螯和交換吸附對重金屬離子（Pb2+、Cu2+、Fe3+、Ca2+）形成一定的吸附效果。鋰輝石具有很強的金屬陽離子吸附能力，金屬陽離子多被吸附于離子交換位，長石、石英、綠柱石的結構以四面體為主，四面體的一個氧與吸附的重金屬離子配位 。以石灰石、白云石等為主的碳酸鹽類礦物材料主要通過改變土壤的pH，促進土壤組分與重金屬離子形成難溶的碳酸鹽巖沉淀來增加對重金屬的固定作用。

3 環境礦物材料的特性分析

自然界存在很多種環境礦物材料，其之所以能夠處理修復環境污染，不單單是所表現的吸附作用。環境礦物材料的凈化功能主要體現在大的比表面積、孔隙多、適宜的孔結構表面結構、對吸附質有強烈的吸附性、膨脹性和離子交換性，一般不與吸附質和介質發生化學反應，使土壤能夠有一定的自凈作用。目前應用在污染治理中的環境礦物材料多達幾十種。環境礦物材料可以用于治理土壤、水體、大氣污染，在環境治理應用中取得了一系列重大進展和突破。大多數環境礦物材料因其特有的礦物成分和結構特征而具有離子交換、吸附、分離、過濾、催化等良好的物理化學性能，對環境中的污染物有著獨特的功效。

礦物材料儲量豐富，很少經過加工或加工處理相對簡單，廉價易得，對治理環境有著巨大的經濟效益和社會效益。因此，環境礦物材料在治理污水、大氣、固體廢棄物中發揮著有效作用，其優良性能為環境保護開拓了廣闊的應用前景。環境礦物材料不僅能夠處理“三廢”，還應用在高科技發展產生的新污染，如各種輻射、電磁場、噪聲等的處理；其作為自然界的無機礦產，與環境有著共生和協調性，可治理污染、修復環境；基本都能循環利用，污染小，在一般技術不能解決的污染問題方面能發揮特有的作用，這是物理、化學等常規方法所不能比擬的，有著良好的處理修復效果。可作為吸附劑的環境礦物材料主要有：蒙脫石、凹凸棒石、沸石、伊利石、高嶺石、海泡石、蛭石、硅藻土等。其中常用于修復土壤重金屬污染的黏土礦物有：蒙脫石、凹凸棒石、沸石、高嶺石、海泡石、蛭石和伊利石等。硅藻土早期主要在過濾材料、保溫材料等方面的研究應用較多，而作為吸附重金屬離子的研究在近幾年才開始 。

4 結語

環境礦物作為修復重金屬的新興材料，在重金屬污染修復的應用中具有廉價易得、效果好、可循環利用、不易改變土壤結構和出現二次污染等優點，能夠解決一般修復材料不能解決的污染問題，因此環境礦物材料在修復重金屬污染方面具有良好的應用前景。利用環境礦物材料解決重金屬污染問題是現階段礦物學領域和環境保護領域研究的重點，其在重金屬污染修復和環境保護中將發揮不可替代的作用。值得注意的是，環境礦物材料從實驗室到實際場地的重金屬修復與治理還有許多問題急需解決。開發新型的環境礦物材料不僅可以大幅度降低重金屬污染修復的成本，還會產生較為明顯的社會和經濟效益，這將是今后環保領域的研究和發展方向。