鲁倩,车健,边朋沙,2,余明,2,马程,王昕,2,耿其明,施畅,2,张硕,2*

(1.河北省地质实验测试中心,河北 保定 071051;2.河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室,河北 保定 071051)

随着工业和经济的发展,重金属等污染物进入到了大气、水、土壤中,严重影响了国家生态环境建设和安全[1-4]。因此,国家对生态环境治理和保护日益重视,特别是关乎人类生存及生命安全的水和土壤等资源的重金属元素污染状况日益受到专家学者的关注[5-8]。Cd是我国土壤和农作物重金属污染中很普通常见的污染物,它会因为不能被微生物分解而在土壤中富集,积累到一定程度就会对土壤-植物系统造成危害,并会通过食物链途径进入人体累积在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼中,使肾脏等器官发生病变,人体内的新陈代谢就会出现紊乱并影响人的正常活动[9-18]。因此,保持土壤健康对土壤Cd污染进行修复一直是国内外专家学者关注的热点。

前人在不同修复剂修复土壤Cd污染方面进行过很多研究,成果十分丰富。廖启林、陈展祥、魏凤、郝硕硕等专家学者曾对沸石、凹凸棒石、蒙脱石等修复剂治理土壤Cd污染的作用和效果进行过探讨,发现三种修复剂在治理土壤Cd污染方面有一定效果。本文在综合分析前人研究成果的基础上,选取已知对土壤Cd重金属元素污染修复有效果的沸石、凹凸棒石、蒙脱石进行研究[19-27],探讨不同修复剂在同样的实验室条件下对Cd污染的修复效果,分析三种修复剂的修复效果的差别优劣,希望可以选出对土壤Cd污染效果最优的修复剂,从而能对土壤重金属元素污染修复研究提供一定技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验土壤为某地健康重金属含量低于国家标准[28]、没有Cd污染的耕地土壤(表1),沸石、凹凸棒石、蒙脱石规格为75 μm(200目),需要药品 Cd(NO3)2·4H2O为分析纯。

表1 原土Cd含量测试数据

1.2 实验方法

Cd污染土壤制备时需要0.6 mg/mL的Cd(NO3)2溶液和准备好的健康无污染的土壤。首先配置实验所需质量浓度为0.6 mg/mL的Cd(NO3)2溶液,然后称取健康土壤500 g为一个样品。在土壤总Cd含量为0.21 mg/kg的基础上,再向土壤中加入Cd(NO3)2溶液,将土壤制成总Cd含量为0.6,1.2,3.0,4.0 mg/kg的待试污染土壤,共配置3组,为1组、2组、3组,分别对应沸石、凹凸棒石、蒙脱石。

1组、2组、3组中每组样品为20个,其中不同浓度的Cd污染待试土壤各准备五个。以1组为例,分别在每一浓度的待试土壤样品中加入样品质量500 g的0.5%(2.5 g),1.0%(5.0 g),2.0%(10.0 g),5.0%(25.0 g),10.0%(50.0 g)的沸石,搅拌均匀后在恒温恒湿的条件下反应30 d。2组凹凸棒石、3组蒙脱石实验方法与1组沸石相同。

2 样品测定

本次土壤送检样品共计63件,分两次送检。第一次送检为3件原土样品(YT1,YT2,YT3),测试其pH值、Cd总量和有效Cd含量,确定土壤为可使用的健康土壤;第二次送检为Cd污染修复后送检土壤样品60个(GXF1,GXF2,GXF3……),主要测试pH值、有效Cd,分析修复剂修复后有效Cd含量的变化。

土壤检验检测主要分为制样和检测两个部分。室内对送检土壤样品进行风干、磨细、过筛、混匀操作后制成待测样。Cd单元素标准储备液(国家标准物质研究中心):1.00 g/L,10%(体积分数)HNO3介质;Cd混合标准工作溶液:2%(体积分数)HNO3介质,由各元素标准储备液稀释混合为合适质量浓度的溶液;Cd含量利用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测量,使用仪器为7700 x电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent公司);土壤pH值使用pH计(LY/T 1239—1999)测定。

3 结果讨论与分析

由表2可得,配置的Cd污染样品修复后pH值为8.16～8.9,变化不大;有效Cd含量虽然都有下降,但不同修复剂的修复效果有所不同,总体来看,沸石、凹凸棒石和蒙脱石对配置好的Cd污染土壤平均修复率为29.88%,30.64%和35.93%,三种修复剂中沸石和凹凸棒石修复效果相近,蒙脱石的修复效果优于沸石和凹凸棒石。当土壤中Cd污染的浓度不同时, 沸石、凹凸棒石和蒙脱石分别有着不同的表现,具体情况如下:

表2 Cd污染土壤修复后样品测试数据

当待修复土壤中总Cd含量为0.6 mg/kg时,沸石有效修复率为4.67%～48.62%,平均修复率为25.14%;凹凸棒石有效修复率为0.21%～34.61%,平均修复率为22.29%,蒙脱石有效修复率为11.89%～39.70%,平均修复率为27.52%。所以,当土壤中Cd含量为0.6 mg/kg时,三种修复剂中虽然蒙脱石平均修复率最高,但是在土壤中加入质量0.50%的沸石时修复率最高为48.62%,所以,当土壤中Cd含量为0.6 mg/kg时,沸石与蒙脱石的修复效果对比更优仍需进一步实验。

当土壤中Cd含量为1.2 mg/kg时,沸石、凹凸棒石、蒙脱石有效修复率和平均修复率分别为26.89%～33.24%和30.31%,9.99%～46.50%和31.97%,30.25%～50.51%和36.04%。其中蒙脱石修复效果最好,不仅平均修复率最高,而且当在污染土壤中加入质量10.0%的蒙脱石时修复效果最优,为50.51%。

当土壤中Cd含量为3.0 mg/kg时,沸石有效修复率为24.07%～32.78%,平均修复率为29.85%;凹凸棒石有效修复率为30.69%～46.36%,平均修复率为39.12%;蒙脱石有效修复率为14.32%～54.72%,平均修复率为36.47%。三种修复剂中虽然凹凸棒石平均修复率最高,但是在土壤中加入质量0.5%的蒙脱石时修复率最高为54.72%,所以,当土壤中Cd含量为3.0 mg/kg时,蒙脱石与凹凸棒石的修复效果对比更优仍需进一步实验。

当土壤中Cd含量为4.0 mg/kg时,沸石有效修复率为13.20%～46.53%,平均修复率为34.23%;凹凸棒石有效修复率为16.30%～35.16%,平均修复率为25.86%;蒙脱石有效修复率为34.38%～52.47%,平均修复率为43.68%。其中,蒙脱石修复效果最好,不仅平均修复率最高,而且当在污染土壤中加入质量分数为2.0%的蒙脱石时修复效果最优,为52.47%。

综上,从整体的平均修复率来看,沸石、凹凸棒石和蒙脱石修复效果相差并不是太大,只是蒙脱石表现最优。但当土壤中Cd含量不同时,三种修复剂的修复效果各有不同,有时修复效果相近,有时修复效果相差较大,此结果的出现不仅和修复剂的种类有关,且和修复剂的加入量也有一定关系。此外,实验中个别污染土壤修复效果未达到,猜测可能是偶然因素导致,需进一步验证,此次不计入计算。

4 结论

通过此次实验发现沸石、凹凸棒石和蒙脱石三种修复剂对土壤Cd污染修复治理具有一定作用,从整体的平均修复率来看,修复效果为蒙脱石>凹凸棒石>沸石。土壤中Cd含量不同时,三种修复剂修复效果也不同,当Cd含量为0.6,1.2,4.0 mg/kg时,蒙脱石修复效果较优,当Cd含量为3.0 mg/kg时,凹凸棒石修复效果较好。沸石、凹凸棒石、蒙脱石均是对土壤Cd污染修复治理行之有效的修复剂,三者如何使用可以对Cd污染修复效果最好及是否可以复配制作混合修复剂,仍需进一步探讨。