馬憲梅 張旭

摘要：目前，納米鐵修復土壤鉻的技術(shù)在環(huán)境治理已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是納米鐵的修復中仍然存在較多的問題，本文通過對改良納米鐵特性進行研究，并通過實驗方法探究穩(wěn)定納米鐵對土壤鉻的存在形態(tài)的修復效果。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定納米鐵;土壤鉻;修復效果

Abstract：At present，the technology of nano iron remediation of soil chromium has been widely used in environmental governance，but there are still many problems in the remediation of nano iron.In this paper， the characteristics of improved nano iron were studied，and the remediation effect of stable nano iron on the existing form of soil chromium was explored by experimental methods.

Key words：Stable nano iron;Soil chromium;Remediation effect

1 前言

隨著工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟水平的不斷快速發(fā)展，已造成了大量環(huán)境污染問題的出現(xiàn)，其中，鉻在工業(yè)活動中的廣泛應(yīng)用導致的土壤鉻污染問題尤為突出。相較于傳統(tǒng)修復材料，納米鐵材料因大比表面積和高活性等特有性能，目前已在環(huán)境治理中被廣泛使用并取得了顯著效果，盡管其表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但應(yīng)用中仍呈現(xiàn)了一些不足之處。因此，本文針對利用穩(wěn)定納米鐵修復鉻污染土壤開展研究工作，探索穩(wěn)定納米鐵對實際工業(yè)污染土壤的修復效果的影響，研究結(jié)果可為穩(wěn)定納米鐵在實際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 土壤鉻遷移轉(zhuǎn)化

自然界中土壤鉻常以Cr（VI）和Cr（III）兩種價態(tài)存在，Cr（VI）和Cr（III）兩者遷移能力存在非常大的差異，對于環(huán)境中Cr（VI）和Cr（III）并不是特定存在的，其可以相互轉(zhuǎn)化。其相互間轉(zhuǎn)化主要受氧化還原作用、沉淀溶解和吸附解析3個方面。

同時土壤鉻的存在形態(tài)也是其遷移轉(zhuǎn)化的重要因素，當前國內(nèi)外通常采用Tessier法[1]將重金屬存在形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)。其中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)是最不穩(wěn)定的，其通常以游離態(tài)于土壤間隙中，具有較高的活性且易隨環(huán)境理化性質(zhì)的變化而變化。有機結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)是以較為穩(wěn)定的形式存在，其通常是以鉻礦物形式固定在土壤中，不易隨水分遷移或被植物所吸收利用。重金屬在土壤中的殘留形態(tài)是最重要的，也是最穩(wěn)定的形態(tài)。其形態(tài)最終會逐漸轉(zhuǎn)化為殘體，殘體是植物最難遷移和吸收利用的形態(tài)。因此，探索土壤環(huán)境中鉻的存在形態(tài)轉(zhuǎn)化具有重要意義。

3 穩(wěn)定納米鐵特性

納米鐵顆粒由于其高活性和催化性能，目前在環(huán)境治理中已經(jīng)相繼取代傳統(tǒng)修復劑。隨著納米技術(shù)不斷地創(chuàng)新，納米鐵顆逐漸成為一種越來越流行的環(huán)境治理修復材料，并廣泛應(yīng)用于污染土壤和地下水修復中。其對于土壤重金屬鉻的修復機理主要在于兩個方面，其一是由于其大比表面積將土壤重金屬吸附至其表面將其固定;其二是發(fā)揮其強還原性將六價鉻還原為三價鉻。

盡管已表明納米鐵顯現(xiàn)超強的還原性能，能夠?qū)ν寥懒鶅r鉻進行高效的還原。但是納米鐵的修復中仍然存在較多的問題，例如其在土壤中抗氧化性差，不能夠持久發(fā)揮還原性能，且易團聚失活等。因此，有效改性納米鐵被認為是增強納米鐵性能并抑制其表面鈍化的重要途徑。

羧甲基纖維素鈉（Carboxymethyl Cellulose， CMC）是一類非常重要的纖維素醚，其是對天然纖維進行化學改性而得到的一種水溶性較好的聚陰離子化合物。其因強黏稠性、保水性、成膜性、分散穩(wěn)定性、可降解性等優(yōu)點，其被越來越多的應(yīng)用到食品工業(yè)、日用化工、醫(yī)藥行業(yè)等。目前大量研究闡明，CMC更是一類優(yōu)良的納米鐵穩(wěn)定劑。曹榮莉[2]通過CMC穩(wěn)定納米鐵并對其進行表征證實其能夠較好地防止其氧化團聚現(xiàn)象，在柱形動態(tài)實驗中在反應(yīng)4h后，能夠?qū)ξ廴疚锶コ?2.68%。何嫻[3]對納米鐵通過CMC包裹，發(fā)現(xiàn)其能夠具有更好的分散性，并與商用納米鐵進行性能比較，發(fā)現(xiàn)CMC穩(wěn)定納米鐵具有更強的還原能力。Xu等[4]利用CMC改性納米鐵后提高分散性的同時也使得其在土壤環(huán)境中的遷移性增強。

4 穩(wěn)定納米鐵修復對土壤鉻形態(tài)的影響

4.1 試驗土壤中土壤鉻形態(tài)分析

本次通過實驗法研究穩(wěn)定納米鐵對鉻污染土壤的修復效果。工業(yè)污染土壤采集自某退役場地，根據(jù)場地區(qū)域特征污染物濃度分別采樣記為YH-1和YH-2，測定土壤理化性質(zhì)。

供試穩(wěn)定納米鐵選定為制備的羧甲基纖維素鈉穩(wěn)定納米鐵，簡稱穩(wěn)定納米鐵（CMC-nZVI）。

通過對鉻污染土壤進行理化性質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。兩種污染土壤均屬弱酸性，且有機質(zhì)含量均偏低。其中YH-2污染土壤六價鉻含量高達138.34mg/kg，而YH-1污染土壤鉻含量也有15.25mg/kg。兩污染土壤六價鉻都超過《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準》 GB36000-2018的風險篩選值。

通過Tessier五步提取法將兩污染土壤進行鉻形態(tài)分級，結(jié)果如表2所示。YH-1污染土壤重金屬鉻主要以有機結(jié)合態(tài)鐵錳、氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)為主，三者占總量的85.4%。而YH-2污染土壤重金屬鉻主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主，其三者占總量的75.41%。

4.2 穩(wěn)定納米鐵對土壤鉻形態(tài)影響分析

采用逐步提取法研究修復后土壤樣品的鉻形態(tài)，其形態(tài)分為交換態(tài)（EX），碳酸鹽結(jié)合態(tài)（CB），鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（OX），以及有機束縛態(tài)（OM）和殘留態(tài)（RS）。其相對可利用度依次為EX>CB>OX>OM>RS。對于修復60d內(nèi)土壤鉻形態(tài)轉(zhuǎn)化情況如圖1所示。未修復土壤HY-1中鉻的主要形態(tài)為OX（51.36%），其占總量的一半以上。在修復2d后，可交換態(tài)顯著降低，鐵錳氧化物上升了1.96%。而后隨時間的增加，殘渣態(tài)顯著增加（P<0.05），最終由未修復前21.98%增加至30.8%。同樣鐵錳氧化物隨時間顯著增加，其在修復30d增加至59.08%，而后逐漸轉(zhuǎn)化為殘渣態(tài)。有機結(jié)合態(tài)較為穩(wěn)定，其含量在鉻含量在上下波動，同時研究也表明，土壤的穩(wěn)定化對于有機結(jié)合態(tài)的影響較小[85]。碳酸鹽結(jié)合態(tài)隨著時間的延長會逐漸向鐵錳氧化物以及殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，其最終減少量為5.02%。土壤鉻形態(tài)變化特征直接影響到土壤鉻的浸出毒性，即隨著鐵錳氧化物以及殘渣態(tài)的形成，土壤鉻的可浸出性逐漸降低。

與未處理HY-2污染土壤相比，穩(wěn)定納米鐵修復后土壤可以明顯看出在修復2d后，其可交換態(tài)從25.89%降至5.23%?？山粨Q態(tài)的減少直接影響到浸出六價鉻的含量，顯然，在六價鉻污染土壤中，六價鉻大多以遷移性更強的可交換態(tài)存在。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)從34.96%增加52.43%，歸咎于穩(wěn)定納米鐵在固定六價鉻的過程中形成的Cr（OH）3或Cr（III）/Fe（III）氧化物沉淀，使得體系中鐵錳氧化物增多[5]。同時碳酸鹽結(jié)合態(tài)也會隨著修復時間的增多，會有少量的減少。大多數(shù)鉻賦存形態(tài)會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅堅鼞B(tài)，且其隨修時間的增大而增多。

5 結(jié)束語

通過穩(wěn)定納米鐵來處理不同工業(yè)鉻污染土壤，修復后兩種土壤可交換態(tài)幾乎均轉(zhuǎn)化為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)，且隨著時間的不斷增長，各土壤鉻形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅堅鼞B(tài)。

參考文獻

[1]Du J， Lu J， Wu Q， et al. Reduction and immobilization of chromate in chromite ore processing residue with nanoscale zero-valent iron[J]. Journal of Hazardous Materials， 2012， 215-216（1）： 152-158.

[2]曹榮莉.強化動態(tài)納米零價鐵復合流動體系修復土壤六價鉻污染研究[D].太原：太原理工大學，2017.

[3]何嫻.羧甲基纖維素穩(wěn)定納米零價鐵修復水中Cr（Ⅵ）和TCE研究[D].北京：中國地質(zhì)大學（北京），2014.

[4]Xu Y， Zhao D. Reductive immobilization of chromate in water and soil using stabilized iron nanoparticles[J]. Water Research， 2007， 41（10）： 2101-2108.

[5]石永吉，王曉鈺，張瑜，等.羧甲基纖維素類粘結(jié)劑在硅基鋰電池中的應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2019，56（04）：269-273.

收稿日期：2020-07-03

作者簡介：馬憲梅（1987-），女，本科學歷，中級工程師，研究方向為環(huán)境影響評價。