土壤重金屬化學(xué)行為與污染治理

1、土壤重金屬化學(xué)行為土壤重金屬化學(xué)行為與污染治理與污染治理胡星明胡星明合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系問題引入問題引入 全球性環(huán)境問題全全 球球 氣氣 候候 變變 化化 在過去的一個(gè)世紀(jì)里，全球表面平均溫度上升了0.3至0.6攝氏度，海平面上升了10至25厘米。目前地球大氣中的二氧化碳濃度已由工業(yè)革命（1750年）之前的280ppm增加了10%。如果世界能源消費(fèi)的格局不發(fā)生根本性變化，到21世紀(jì)中葉，大氣中的二氧化碳濃度將達(dá)到560ppm，全球平均溫度可能上升1.5至4攝氏度，將給全球人類帶來災(zāi)難性后果。臭臭 氧氧 層層 破破 壞壞 和和 損損 耗耗自自19851985年南極上空出現(xiàn)

2、臭氧層空洞以來，地球上年南極上空出現(xiàn)臭氧層空洞以來，地球上空臭氧層被損耗的現(xiàn)象一直有增無減。到空臭氧層被損耗的現(xiàn)象一直有增無減。到19941994年，年，南極上空的臭氧層破壞面積已達(dá)南極上空的臭氧層破壞面積已達(dá)24002400萬平方公里。萬平方公里。現(xiàn)在在美國、加拿大、西歐、前蘇聯(lián)、中國、日現(xiàn)在在美國、加拿大、西歐、前蘇聯(lián)、中國、日本等國的上空，臭氧層都開始變薄。全世界向大本等國的上空，臭氧層都開始變薄。全世界向大氣排放的消耗臭氧層物質(zhì)（氣排放的消耗臭氧層物質(zhì)（ODSODS）已達(dá)到了）已達(dá)到了20002000萬噸。由于萬噸。由于ODSODS相當(dāng)穩(wěn)定，可在大氣層中存在相當(dāng)穩(wěn)定，可在大氣層中存在5

3、0-50-100100年，會(huì)不斷與臭氧發(fā)生反應(yīng)，即使全世界完全年，會(huì)不斷與臭氧發(fā)生反應(yīng)，即使全世界完全停止排放停止排放ODSODS，也要再過，也要再過2020年，人類才能看到臭年，人類才能看到臭氧層恢復(fù)的跡象。氧層恢復(fù)的跡象。19791992年南極臭氧空洞圖年南極臭氧空洞圖19791980198119821983198419901989198819851986198719921991臭氧層對(duì)地球的保護(hù)示意圖臭氧層對(duì)地球的保護(hù)示意圖臭氧層主要吸收紫外線保護(hù)地球生物，同時(shí)也是溫室氣體，吸收熱量，維持地球熱量的動(dòng)態(tài)平衡酸雨污染酸雨污染“酸雨” 泛指酸性物質(zhì)以濕沉降（雨、雪）或干沉降（酸性顆粒物）的形

4、式從大氣轉(zhuǎn)移到地面上。酸雨中絕大部分是硫酸和硝酸，主要來源于人類廣泛使用化石燃料，向大氣排放了大量的二氧化硫和氮氧化物。酸雨的形成酸雨的形成酸雨危害酸雨危害酸雨破壞建筑，更使使全球酸雨破壞建筑，更使使全球30%30%的林區(qū)因酸雨的影響而退化。的林區(qū)因酸雨的影響而退化。有些湖泊因酸化改變水生生態(tài)，有些湖泊因酸化改變水生生態(tài)，導(dǎo)致魚類滅絕。土壤酸化會(huì)使導(dǎo)致魚類滅絕。土壤酸化會(huì)使土壤貧瘠化，導(dǎo)致陸地生態(tài)系土壤貧瘠化，導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)的退化。統(tǒng)的退化。酸雨污染的危害水水 資資 源源 危危 機(jī)機(jī)目前世界上約有目前世界上約有20個(gè)國家嚴(yán)重缺個(gè)國家嚴(yán)重缺水，全球有水，全球有10億億多人口無法得到多人口無法得

5、到安全的飲用水。安全的飲用水。森森 林林 植植 被被 破破 壞壞地球森林面積約為地球森林面積約為30-60億公頃，億公頃，約占陸地面積的約占陸地面積的20%-40%，但在，但在工業(yè)化過程中，森林大面積被毀工業(yè)化過程中，森林大面積被毀引起了多種環(huán)境后果，主要有：引起了多種環(huán)境后果，主要有：降雨分布變化，二氧化碳排放量降雨分布變化，二氧化碳排放量增加，氣候異常，水土流失，洪增加，氣候異常，水土流失，洪澇頻發(fā)，生物多樣性減少等。澇頻發(fā)，生物多樣性減少等。海海 洋洋 資資 源源 破破 壞壞 和和 污污 染染近幾十年來，全球范圍內(nèi)的海近幾十年來，全球范圍內(nèi)的海洋生產(chǎn)力和海洋環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)洋生產(chǎn)力和海洋環(huán)境

6、質(zhì)量出現(xiàn)明顯退化。明顯退化。2/3以上的海洋魚以上的海洋魚類已被最大限度或過度捕撈，類已被最大限度或過度捕撈，已經(jīng)滅絕或?yàn)l臨滅絕，另有已經(jīng)滅絕或?yàn)l臨滅絕，另有44%的魚類的捕撈已達(dá)到生物的魚類的捕撈已達(dá)到生物極限。而另一方面，人類活動(dòng)極限。而另一方面，人類活動(dòng)產(chǎn)生的大部分廢物和污染物最產(chǎn)生的大部分廢物和污染物最終都進(jìn)入了海洋。終都進(jìn)入了海洋。難難 以以 處處 理理 的的 有有 毒毒 化化 學(xué)學(xué) 廢廢 物物現(xiàn)在全球每年產(chǎn)生的有毒有害化學(xué)廢物現(xiàn)在全球每年產(chǎn)生的有毒有害化學(xué)廢物3億到億到4億噸，其中對(duì)生態(tài)億噸，其中對(duì)生態(tài)危害最大、擴(kuò)散最廣的是持久性有機(jī)污染物（危害最大、擴(kuò)散最廣的是持久性有機(jī)污染物（

7、POPs），如多氯），如多氯聯(lián)苯和滴滴涕。使男性精子數(shù)目銳減，男性不育癥增加。男嬰出聯(lián)苯和滴滴涕。使男性精子數(shù)目銳減，男性不育癥增加。男嬰出生率下降。動(dòng)物雌性化現(xiàn)象嚴(yán)重。以及畸形個(gè)體增加。生率下降。動(dòng)物雌性化現(xiàn)象嚴(yán)重。以及畸形個(gè)體增加。生物多樣性銳減 地球上約有地球上約有1400萬種物萬種物種，但當(dāng)前地球上的生物種，但當(dāng)前地球上的生物多樣性損失的速度比歷史多樣性損失的速度比歷史上任何時(shí)候都快，鳥類和上任何時(shí)候都快，鳥類和哺乳動(dòng)物現(xiàn)在的滅絕速度哺乳動(dòng)物現(xiàn)在的滅絕速度是它們?cè)谖词芨蓴_的自然是它們?cè)谖词芨蓴_的自然界中的界中的100倍至倍至1000倍。倍。民以食為天民以食為天土壤荒漠化和污染土壤荒漠化

8、和污染土壤土壤土壤荒漠化土壤荒漠化土壤污染土壤污染民以食為天民以食為天土壤荒漠化和污染土壤荒漠化和污染土壤污染土壤污染土壤有機(jī)物污染土壤有機(jī)物污染土壤無機(jī)物污染（重金屬）土壤無機(jī)物污染（重金屬）PbCdCrHgAs 危害危害 (1)影響植物根和葉的發(fā)育影響植物根和葉的發(fā)育 (2)破壞人體神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、骨骼系破壞人體神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)等統(tǒng)等植物病例植物病例人類病例人類病例二、重金屬危害和污染特點(diǎn)二、重金屬危害和污染特點(diǎn)土壤重金屬污染特點(diǎn)土壤重金屬污染特點(diǎn) (1)重金屬不能被微生物降解，是環(huán)境長(zhǎng)期、潛在的污重金屬不能被微生物降解，是環(huán)境長(zhǎng)期、潛在的污染物；染物；(2)因土壤膠體和顆

9、粒物的吸附作用，長(zhǎng)期存在于土壤因土壤膠體和顆粒物的吸附作用，長(zhǎng)期存在于土壤中，濃度多成垂直遞減分布；中，濃度多成垂直遞減分布； (3)與土壤中的配位體與土壤中的配位體(氯離子、硫酸離子、氫氧離子、氯離子、硫酸離子、氫氧離子、腐蝕質(zhì)等腐蝕質(zhì)等)作用，生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬作用，生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬在土壤中有更大的溶解度和遷移活性；在土壤中有更大的溶解度和遷移活性；(4)土壤重金屬可以通過食物鏈被生物富集，產(chǎn)生生物土壤重金屬可以通過食物鏈被生物富集，產(chǎn)生生物放大作用；放大作用；(5)重金屬的形態(tài)不同，其活性與毒性不同，土壤重金屬的形態(tài)不同，其活性與毒性不同，土壤pH、Eh、顆粒物

10、以及有機(jī)質(zhì)含量等條件深刻影響它在土、顆粒物以及有機(jī)質(zhì)含量等條件深刻影響它在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化；壤中的遷移和轉(zhuǎn)化；三、土壤重金屬污染來源三、土壤重金屬污染來源自然來源自然來源 （1）成土母質(zhì)的）成土母質(zhì)的風(fēng)化過程風(fēng)化過程對(duì)土壤重金屬本底含量的影響對(duì)土壤重金屬本底含量的影響 （2）風(fēng)力和水力搬運(yùn)風(fēng)力和水力搬運(yùn)的自然物理和化學(xué)遷移過程的自然物理和化學(xué)遷移過程人為干擾輸入人為干擾輸入 （1）不同）不同工礦企業(yè)工礦企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)土壤重金屬的額外輸入工業(yè)生產(chǎn)對(duì)土壤重金屬的額外輸入 （2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響下的土壤重金屬輸入活動(dòng)影響下的土壤重金屬輸入 （3）交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸對(duì)土壤重金屬污染的影響對(duì)土壤

11、重金屬污染的影響 四、土壤重金屬環(huán)境化學(xué)行為四、土壤重金屬環(huán)境化學(xué)行為遷移過程遷移過程 （1）機(jī)械遷移機(jī)械遷移 （2）物理物理化學(xué)遷移化學(xué)遷移(溶解溶解-沉淀；氧化沉淀；氧化-還原等還原等) （3）生物遷移生物遷移 轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化過程 （1）物理）物理化學(xué)轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化 （2）生物轉(zhuǎn)化）生物轉(zhuǎn)化 五、影響土壤重金屬環(huán)境化學(xué)行為的因素五、影響土壤重金屬環(huán)境化學(xué)行為的因素土壤顆粒物粒徑土壤顆粒物粒徑土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤土壤PH值和酸堿度值和酸堿度土壤生物和植被土壤生物和植被 六、土壤重金屬污染的來源定量解析六、土壤重金屬污染的來源定量解析 重金屬的形態(tài)分布重金屬的形態(tài)分布 重金屬的形態(tài)：可

12、交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合重金屬的形態(tài)：可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)硫化物態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。態(tài)、有機(jī)硫化物態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。元素剖面分布元素剖面分布 由于土壤對(duì)重金屬的固定，外源重金屬大都富集在土由于土壤對(duì)重金屬的固定，外源重金屬大都富集在土壤表層而比較難向下遷移壤表層而比較難向下遷移 同位素示蹤研究同位素示蹤研究 各種元素的同位素成分來區(qū)分各種地質(zhì)體的物質(zhì)來源各種元素的同位素成分來區(qū)分各種地質(zhì)體的物質(zhì)來源 空間分析空間分析 應(yīng)用應(yīng)用GIS技術(shù)分析異常空間分布與污染源的關(guān)系有可技術(shù)分析異?？臻g分布與污染源的關(guān)系有可能直觀地判斷出異常的成因能直觀地判斷出異常的成因 七、土壤重金屬污染治理

13、七、土壤重金屬污染治理土壤重金屬污染物的土壤重金屬污染物的檢測(cè)分析檢測(cè)分析土壤重金屬的土壤重金屬的治理方法治理方法 土壤重金屬污染的治理方法土壤重金屬污染的治理方法 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù) ： 主要換土、客土和深耕翻土等（主要換土、客土和深耕翻土等（圖圖） 植物修復(fù)技術(shù)（植物修復(fù)技術(shù)（圖圖） (1)植物提取和富集（植物提取和富集（圖圖） (2)植物揮發(fā)（植物揮發(fā)（圖圖） (3)植物穩(wěn)定（植物穩(wěn)定（圖圖） 常見修復(fù)植物常見修復(fù)植物 物理化學(xué)修復(fù)物理化學(xué)修復(fù) a.電動(dòng)修復(fù)電動(dòng)修復(fù) b.電熱修復(fù)電熱修復(fù) c.土壤淋溶土壤淋溶 化學(xué)修復(fù)化學(xué)修復(fù) 八、土壤重金屬修復(fù)展望八、土壤重金屬修復(fù)展望超累積植物

14、篩選與培育超累積植物篩選與培育 分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的應(yīng)分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用用 生物修復(fù)綜合技術(shù)的研究生物修復(fù)綜合技術(shù)的研究 九：土壤重金屬污染治理研究項(xiàng)目九：土壤重金屬污染治理研究項(xiàng)目 2010年高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)年高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目目無機(jī)無機(jī)-有機(jī)體協(xié)同原位化學(xué)固定修復(fù)有機(jī)體協(xié)同原位化學(xué)固定修復(fù)土壤重金屬污染（基金號(hào)：土壤重金屬污染（基金號(hào)：2010SQRL147） 2010年高校省級(jí)自然科學(xué)項(xiàng)目年高校省級(jí)自然科學(xué)項(xiàng)目高效土壤高效土壤重金屬修復(fù)與重金屬毒理和生物有效性研究重金屬修復(fù)與重金屬毒理和生物有效性研究（基金號(hào)：（基金號(hào)：KJ2010B437）

15、Hg中毒慢性As中毒Pb中毒 電子產(chǎn)品造成的鉛污染，已電子產(chǎn)品造成的鉛污染，已經(jīng)成為鉛污染的主要途徑之一經(jīng)成為鉛污染的主要途徑之一Cd中毒Cr中毒修復(fù)土壤重金屬污染的植物修復(fù)土壤重金屬污染的植物 小花南芥小花南芥：修復(fù)：修復(fù)Pb、Zn復(fù)合污染復(fù)合污染 蜈蚣草蜈蚣草：修復(fù)修復(fù)As污染污染 東南景天東南景天：修復(fù)修復(fù)Cd、Pb、Zn、Cu復(fù)合復(fù)合污染污染 龍葵龍葵：修復(fù)修復(fù)Cd污染污染 油菜油菜:修復(fù)修復(fù)Cd污染污染 在電場(chǎng)的作用下，通過電流的作用，土壤中的重金屬離在電場(chǎng)的作用下，通過電流的作用，土壤中的重金屬離子子(如如Pb、Cd、Cr、Zn等等)和無機(jī)離子以電透滲和電遷移和無機(jī)離子以電透滲和電

16、遷移的方式向電極運(yùn)輸，然后進(jìn)行集中收集處理。的方式向電極運(yùn)輸，然后進(jìn)行集中收集處理。 利用高頻電壓產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生熱能，對(duì)土壤進(jìn)行加熱，使利用高頻電壓產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生熱能，對(duì)土壤進(jìn)行加熱，使污染物從土壤顆粒內(nèi)解吸出來，加快一些易揮發(fā)性重金屬從污染物從土壤顆粒內(nèi)解吸出來，加快一些易揮發(fā)性重金屬從土壤中分離，從而達(dá)到修復(fù)的目的。該技術(shù)主要修復(fù)被土壤中分離，從而達(dá)到修復(fù)的目的。該技術(shù)主要修復(fù)被Hg和和Se等重金屬污染的土壤。等重金屬污染的土壤。 土壤淋洗：土壤淋洗： 利用淋洗液把土壤固相中的重金屬利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相中去，再把富含重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相中去，再把富含重金屬的廢水

17、進(jìn)一步回收處理的土壤修復(fù)方法。的廢水進(jìn)一步回收處理的土壤修復(fù)方法。 常采用柱淋洗或堆積淋洗，該方法常采用柱淋洗或堆積淋洗，該方法的技術(shù)關(guān)鍵是尋找一種既能提取各種形的技術(shù)關(guān)鍵是尋找一種既能提取各種形態(tài)的重金屬，又不破壞土壤結(jié)構(gòu)的淋洗態(tài)的重金屬，又不破壞土壤結(jié)構(gòu)的淋洗液。液。 目前主要使用的淋洗劑為檸檬酸、目前主要使用的淋洗劑為檸檬酸、蘋果酸、乙酸和蘋果酸、乙酸和EDTAEDTA。 化學(xué)修復(fù)：化學(xué)修復(fù)： 向土壤投入改良劑，通過對(duì)重金屬的向土壤投入改良劑，通過對(duì)重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，以降吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，以降低重金屬的生物有效性。低重金屬的生物有效性。 該方法在土壤原

18、位上進(jìn)行的，簡(jiǎn)單易該方法在土壤原位上進(jìn)行的，簡(jiǎn)單易行。但金屬元素仍保留在土壤中，一旦重行。但金屬元素仍保留在土壤中，一旦重金屬在土壤中的形態(tài)改變，會(huì)再次危害生金屬在土壤中的形態(tài)改變，會(huì)再次危害生物，并不是一種永久的修復(fù)措施。物，并不是一種永久的修復(fù)措施。 常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進(jìn)還原作用的有機(jī)物磷酸鹽、硅酸鹽和促進(jìn)還原作用的有機(jī)物質(zhì)，不同改良劑對(duì)重金屬的作用機(jī)理不同。質(zhì)，不同改良劑對(duì)重金屬的作用機(jī)理不同。 植物修復(fù)植物修復(fù) 植物富集植物富集A A：采集后壓制植物的一般照片（有黃斑）：采集后壓制植物的一般照片（有黃斑）B B：X-X-射線放射自顯影照片（能看出金屬元素所在的部位）射線放射自顯影照片（能看出金屬元素所在的部位）C C：計(jì)算機(jī)重構(gòu)的放射：計(jì)算機(jī)重構(gòu)的放射富集重金屬植物利用富集重金屬植物利用植物揮發(fā)植物揮發(fā)植物穩(wěn)定土壤重金屬植物穩(wěn)定土壤重金屬 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù) 土壤重金屬污染物的檢測(cè)分析土壤重金屬污染物的檢測(cè)分析 檢測(cè)分析步驟檢測(cè)分析步驟采樣采樣預(yù)處理預(yù)處理消解和提取消解和提取儀器分析儀器分析分析結(jié)果的質(zhì)量保證分析結(jié)果的質(zhì)量保證 土壤：發(fā)育于地球陸土壤：發(fā)育于地球陸地表面具有生物活性地表面具有生物活性和孔隙結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，和孔隙結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，含固液氣三相系統(tǒng)。含固液氣三相系