土壤在環(huán)境污染治理中的研究與應(yīng)用研究

李明星

【摘 要】本文介紹了土壤體系中的粘土礦物及改性土壤吸附固定污染物的機(jī)理及進(jìn)展，和土壤高級(jí)氧化體系（土壤Fenton體系和天然半導(dǎo)體礦物的光催化氧化）降解污染物的機(jī)理及現(xiàn)狀，并就該研究領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】土壤；污染治理；綜述

1、前言

如今環(huán)境問(wèn)題已是人類關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，解決環(huán)境問(wèn)題也倍受世界各國(guó)研究人員的關(guān)注，他們?cè)趯ふ抑挝鄄牧现?，由于受治污材料的難求和研究經(jīng)費(fèi)等的影響，所以更關(guān)注那些天然的治污材料。研究天然土壤或改性土壤對(duì)污染物進(jìn)行吸附、氧化還原等一系列作用在環(huán)境處理中具有重要的意義。土壤是由許多礦物及有機(jī)物、土壤生物、水分、空氣等混合而成，質(zhì)地比較疏松，具有吸附、絡(luò)合、氧化還原等作用，故可對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行固定和降解，并可殺死污染物質(zhì)中的有害微生物，進(jìn)而達(dá)到治污的目的。土壤治污過(guò)程中無(wú)二次污染物的產(chǎn)生且治理費(fèi)用低、原料易得等優(yōu)點(diǎn)，如今已被廣泛應(yīng)用。

2、粘土礦物與改性土壤吸附固定污染物

目前，由于污水的灌溉、農(nóng)藥的大量使用等，使得土壤中的各種污染物質(zhì)含量嚴(yán)重超標(biāo)，在水體的循環(huán)作用下，污染物質(zhì)也可能進(jìn)入并污染地下水體，所以應(yīng)盡量固定或降解污染物減少其擴(kuò)散，從而降低其毒性。粘土礦物是一些以鎂、鋁為主的含水硅酸鹽礦物，絕大部分具有層狀的結(jié)構(gòu)，在其層狀間可發(fā)生同晶替代作用，即晶體結(jié)構(gòu)中原本的離子或原子占有的位置被其他性質(zhì)類似、大小相近的離子或原子所替代，并不會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)型產(chǎn)生影響或影響很小的一種現(xiàn)象。如硅氧四面體中的Si4+被Al3+替代使得晶胞表面帶負(fù)電，所以對(duì)金屬陽(yáng)離子有較強(qiáng)的吸附能力，進(jìn)而將其固定下來(lái)，可降低污染程度和污染物的毒性。且土壤顆粒較小、比表面積大、所以表面能大，吸附能力較強(qiáng)。粘土礦物被廣泛的應(yīng)用于對(duì)電鍍、造紙及含有大量的有機(jī)物等廢水的治理中。雖然土壤的吸附能力較強(qiáng)，但在一定條件下對(duì)污染物的吸附固定量是一定的，若污染物濃度較高時(shí)，這種吸附對(duì)污染物的去除率較小，不能達(dá)到較理想的效果，因此很多研究人員設(shè)法對(duì)土壤進(jìn)行的改性處理。高斌[1]等人用十六烷基三甲基銨離子（HDTMA）和四甲基銨離子（TMA）分別對(duì)天然黑土進(jìn)行改性處理，用比原土的陽(yáng)離子交換容量（CEC）高出一倍的HDTMA和TMA對(duì)其處理，實(shí)驗(yàn)表明改性后的吸附油量分別是原來(lái)的2.9倍和2.6倍；分別用比原來(lái)天然紅土的CEC高一倍的HDTMA和TMA對(duì)原土改性處理，實(shí)驗(yàn)表明改性后的吸附油量分別為原來(lái)的18倍和17倍。張曉昆[2]等人用非離子表面活性劑烷基酚與環(huán)氧乙烷縮合物（TX-7）改性蒙脫土，實(shí)驗(yàn)表明改性后對(duì)1，2-二氯乙烷的吸附量為5.62mg·g-1，是天然蒙脫土吸附量0.42mg·g-1的13.38倍，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)研究張曉昆等人提出采用烷基酚與環(huán)氧乙烷縮合物和土壤制備生成的有機(jī)粘土進(jìn)行環(huán)境污染修復(fù)在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3、土壤高級(jí)氧化體系降解污染物

3.1 土壤Fenton體系。土壤Fenton體系表現(xiàn)出的強(qiáng)氧化性的機(jī)理是在酸性條件下Fe2+催化H2O2生成氫氧自由基（·OH），并引發(fā)產(chǎn)生更多的其它自由基?！H的氧化電位目前在眾多的物質(zhì)中僅次于氟，可達(dá)2.80V，其次也具有很高的親電性，可將絕大多數(shù)有機(jī)物較徹底的氧化。雖Fenton氧化技術(shù)的氧化能力強(qiáng)可氧化降解大多數(shù)物質(zhì)但也有些不足之處，比如使用費(fèi)用較高，且在Fe2+達(dá)到一定的濃度后，H2O2的利用率和有機(jī)物的去除率變低，反應(yīng)速率變緩等，基于此便出現(xiàn)了一些聯(lián)用的技術(shù)，其中有光—Fenton技術(shù)、電—Fenton技術(shù)、微波—Fenton技術(shù)等等。雷樂(lè)成[3]用光—Fenton技術(shù)處理紡織印染PVA廢水，該反應(yīng)體系中在較低濃度的Fe2+存在下并施以紫外光輻射，該反應(yīng)30分鐘后對(duì)廢水中的溶解性有機(jī)碳的去除率達(dá)90%以上。Kurt U[4]等人研究表明電-Fenton技術(shù)氧化制革廢水時(shí)，硫化物可在10分鐘內(nèi)被完全去除。趙進(jìn)才[5]等人通過(guò)對(duì)比研究黏土礦物結(jié)構(gòu)性鐵和交換性鐵在光催化下降解有毒有機(jī)污染物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明土壤中含有較多結(jié)構(gòu)性鐵，利用這些礦物成分構(gòu)建的Fenton氧化體系可以有效地降解陽(yáng)離子染料。但均相Fenton體系和光-Fenton體系會(huì)產(chǎn)生處理成本較高的含鐵污泥，不但造成了二次污染，而且使H2O2的利用率降低，因此限制了均相Fenton體系的應(yīng)用前景。所以有研究人員提出用鐵和鐵離子的復(fù)合物載體，制備疏水性的異相Fenton催化劑，而且已經(jīng)取得了較好的實(shí)驗(yàn)成果。使用天然的土壤礦物成分作為異相Fenton試劑，以陽(yáng)光為其光源，更能顯示其綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

3.2 天然半導(dǎo)體礦物的光催化氧化。土壤中的半導(dǎo)體礦物，在光的激發(fā)下，其介帶中電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，進(jìn)而對(duì)污染物可起到氧化還原作用。天然的半導(dǎo)體礦物成分復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)易變，對(duì)其進(jìn)行改性處理使之具有強(qiáng)的光催化活性，進(jìn)而促進(jìn)了對(duì)其光催化來(lái)治理污染物體系的發(fā)展。王程[6]等對(duì)天然紅石精礦施以光照，用來(lái)處理含偶氮染料的廢水，4小時(shí)后廢水的退色率達(dá)到了88%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的可光催化性能。楊欣[7]等人用天然錳鉀礦處理印染廢水，發(fā)現(xiàn)Mn4+被還原為Mn2+，說(shuō)明該過(guò)程中在礦物界面上發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。很多研究人員對(duì)天然半導(dǎo)體礦物的光催化氧化的研究，可提高資源的利用多樣化，使得光催化劑用于污染治理方向有良好的前景。

4、土壤高級(jí)氧化降解污染物的機(jī)理研究

土壤的組分極其復(fù)雜，可發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，且影響反應(yīng)的因素也較多，所以要在自然界中研究土壤對(duì)污染物的固定較難實(shí)現(xiàn)，因此，研究人員將過(guò)篩的土壤和水混合制成泥漿涂在玻璃板上在實(shí)驗(yàn)室模擬研究。張文兵[8]用O3和H2O2處理久效磷，氧化機(jī)理是間接的借助體系中的氫氧自由基引發(fā)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此反應(yīng)速度很快。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反應(yīng)20分鐘對(duì)其去除率達(dá)95%。土壤高級(jí)氧化具有很強(qiáng)的氧化能力，并對(duì)污染物的分解較徹底，且在含污染物濃度較高的情況下也具有較好的處理能力。

5、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究土壤對(duì)環(huán)境污染物的治理，因其具有費(fèi)用低廉且不產(chǎn)生二次污染等的優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)該方向的研究有了很大的進(jìn)展。土壤和改性土壤可以吸附降解污染物，降低其毒性，從而達(dá)到治污的目的，但依然有幾個(gè)問(wèn)題：（1）污染物吸附后的土壤處理及處理過(guò)程可能帶來(lái)的二次污染；（2）由于土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附效果高于陰離子，故該方法的應(yīng)用具有局限性；（3）土壤對(duì)部分污染物吸附和解吸過(guò)程不可逆，或者解吸過(guò)程很慢。然而用改性的方法增強(qiáng)土壤對(duì)污染物的吸附固定能力，在吸附有機(jī)物和非金屬污染方面具有良好的前景。對(duì)天然半導(dǎo)體礦物的光催化氧化的研究可以提高對(duì)資源的利用多樣化也可促進(jìn)光催化劑工業(yè)化的應(yīng)用。對(duì)土壤高級(jí)氧化降解污染物的機(jī)理研究，使人們能夠了解土壤中各種高級(jí)氧化體系的反應(yīng)機(jī)理和影響條件，幫助研究者找到更好的控制高級(jí)氧化體系環(huán)境。利用天然材料來(lái)治理污染不但降低了治污成本也在一定程度上保護(hù)了環(huán)境。

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