張寶強(qiáng)

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075）

眾所周知，全球土壤質(zhì)量日趨惡化，發(fā)展中國家土壤污染日益加劇，使得人類賴以生存的環(huán)境受到破壞[1]。目前，我國土壤污染防治形勢(shì)十分嚴(yán)峻，呈現(xiàn)出污染途徑和污染源眾多、原因復(fù)雜、新老污染物混合并存等復(fù)雜問題，對(duì)食品安全、生態(tài)環(huán)境、人體健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展形成了巨大的威脅[2]。我國土壤問題主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：土壤受重金屬污染加?。恢亟饘傥廴就寥赖奈：薮螅晃廴就寥赖姆乐闻c修復(fù)基礎(chǔ)較差。污染類型以無機(jī)型為主，有機(jī)型次之，復(fù)合型污染比重較小，無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方；長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)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(jìn)入土壤，給環(huán)境土壤帶來了巨大的威脅[3-5]。本文通過對(duì)前人的工作進(jìn)行綜合論述，意在闡明不同環(huán)境礦物材料對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)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(huán)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(shí)間長(zhǎng)，遷移性能較差，難以被修復(fù)，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(shù)等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，開采過程中隨意堆放、不采取保護(hù)措施。一些工廠在加工完后對(duì)廢水廢渣不進(jìn)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(huán)境中出現(xiàn)較多重金屬污染源。

重金屬在土壤中很難被生物降解，進(jìn)入土壤后容易被土壤膠體吸附，與土壤中的無機(jī)物、有機(jī)物形成配合物，或與其他物質(zhì)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(zhì)受到損害，引起土壤的結(jié)構(gòu)、功能和組成產(chǎn)生變化，質(zhì)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(jìn)入人體內(nèi)和蛋白質(zhì)、酶等發(fā)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(shí)，重金屬含量較高的污染表土在自然力的作用下很容易進(jìn)入大氣和水中，引起大氣和水的污染，造成生態(tài)環(huán)境污染[8]。為了實(shí)現(xiàn)土壤的高效可持續(xù)利用，保障人類食品的安全，人們需要盡早提出切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)高效的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)。

2 環(huán)境礦物材料修復(fù)重金屬污染的研究現(xiàn)狀

2.1 環(huán)境礦物材料的概念及其特性

環(huán)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(tài)環(huán)境具有良好協(xié)調(diào)性或直接具有防治污染和修復(fù)環(huán)境功能的一類環(huán)境礦物材料[9]。環(huán)境礦物材料基本性能包括礦物表面吸附、結(jié)構(gòu)調(diào)整、孔道過濾、離子交換、物理效應(yīng)、化學(xué)活性、納米效應(yīng)及與生物交互作用等，據(jù)其性能可分為天然、人工和改性環(huán)境礦物材料[10]。天然環(huán)境礦物材料是指未改變環(huán)境礦物材料成分和結(jié)構(gòu)的原材料，如鐵錳金屬礦物、沸石、黏土礦物等。環(huán)境礦物材料除了具備一般環(huán)境礦物材料的特點(diǎn)外，還具備修復(fù)環(huán)境功能。因此，環(huán)境環(huán)境礦物材料在大氣污染、水體污染、土壤污染的處理修復(fù)中發(fā)揮著有效的作用。

2.2 環(huán)境礦物材料對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)現(xiàn)狀

隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)、環(huán)境保護(hù)等對(duì)環(huán)境礦物材料的需求日益增加，使得環(huán)境礦物材料的研究較快 。環(huán)境礦物材料在修復(fù)重金屬污染土壤方面，以其廉價(jià)易得、無二次污染受到廣泛關(guān)注，同時(shí)環(huán)境礦物材料的相關(guān)研究也取得了一定的進(jìn)展。何宏平等通過吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒙脫石、高嶺石、伊利石三種環(huán)境礦物材料對(duì) 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(duì)Cu2+、Cr3+的吸附量分別為5.017 mmol/kg和17.692 mmol/kg，高嶺石對(duì)Pb2+、Zn2+的吸附量分別為1.748 mmol/kg、0.112 mmol/kg，伊利石對(duì)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(duì)Cu2+、Cr3+吸附性較好，高嶺石和伊利石對(duì)Pb2+、Zn2+、Cd2+具有較強(qiáng)的親和力[10]。

不同環(huán)境礦物材料吸附重金屬離子，受環(huán)境礦物材料層電荷分布、重金屬離子電價(jià)、水化熱、離子半徑等因素控制。鋰輝石、長(zhǎng)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(duì)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(qiáng)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(zhǎng)石、石英、綠柱石的結(jié)構(gòu)以四面體為主，四面體的一個(gè)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(jìn)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(duì)重金屬的固定作用。

3 環(huán)境礦物材料的特性分析

自然界存在很多種環(huán)境礦物材料，其之所以能夠處理修復(fù)環(huán)境污染，不單單是所表現(xiàn)的吸附作用。環(huán)境礦物材料的凈化功能主要體現(xiàn)在大的比表面積、孔隙多、適宜的孔結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)、對(duì)吸附質(zhì)有強(qiáng)烈的吸附性、膨脹性和離子交換性，一般不與吸附質(zhì)和介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使土壤能夠有一定的自凈作用。目前應(yīng)用在污染治理中的環(huán)境礦物材料多達(dá)幾十種。環(huán)境礦物材料可以用于治理土壤、水體、大氣污染，在環(huán)境治理應(yīng)用中取得了一系列重大進(jìn)展和突破。大多數(shù)環(huán)境礦物材料因其特有的礦物成分和結(jié)構(gòu)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(xué)性能，對(duì)環(huán)境中的污染物有著獨(dú)特的功效。

礦物材料儲(chǔ)量豐富，很少經(jīng)過加工或加工處理相對(duì)簡(jiǎn)單，廉價(jià)易得，對(duì)治理環(huán)境有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，環(huán)境礦物材料在治理污水、大氣、固體廢棄物中發(fā)揮著有效作用，其優(yōu)良性能為環(huán)境保護(hù)開拓了廣闊的應(yīng)用前景。環(huán)境礦物材料不僅能夠處理“三廢”，還應(yīng)用在高科技發(fā)展產(chǎn)生的新污染，如各種輻射、電磁場(chǎng)、噪聲等的處理；其作為自然界的無機(jī)礦產(chǎn)，與環(huán)境有著共生和協(xié)調(diào)性，可治理污染、修復(fù)環(huán)境；基本都能循環(huán)利用，污染小，在一般技術(shù)不能解決的污染問題方面能發(fā)揮特有的作用，這是物理、化學(xué)等常規(guī)方法所不能比擬的，有著良好的處理修復(fù)效果。可作為吸附劑的環(huán)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(fù)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(yīng)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(jié)語

環(huán)境礦物作為修復(fù)重金屬的新興材料，在重金屬污染修復(fù)的應(yīng)用中具有廉價(jià)易得、效果好、可循環(huán)利用、不易改變土壤結(jié)構(gòu)和出現(xiàn)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決一般修復(fù)材料不能解決的污染問題，因此環(huán)境礦物材料在修復(fù)重金屬污染方面具有良好的應(yīng)用前景。利用環(huán)境礦物材料解決重金屬污染問題是現(xiàn)階段礦物學(xué)領(lǐng)域和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，其在重金屬污染修復(fù)和環(huán)境保護(hù)中將發(fā)揮不可替代的作用。值得注意的是，環(huán)境礦物材料從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際場(chǎng)地的重金屬修復(fù)與治理還有許多問題急需解決。開發(fā)新型的環(huán)境礦物材料不僅可以大幅度降低重金屬污染修復(fù)的成本，還會(huì)產(chǎn)生較為明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，這將是今后環(huán)保領(lǐng)域的研究和發(fā)展方向。