土壤環(huán)境污染治理中石棉尾礦渣的應(yīng)用探討,土壤污染論文

土壤環(huán)境污染治理中石棉尾礦渣的應(yīng)用探討,土壤污染論文0引言土壤重金屬污染和農(nóng)藥污染，不但給我們國家農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來不利影響，而且危害人體健康和生態(tài)環(huán)境，每年造成的直接和間接經(jīng)濟損失達幾千億元[1].資料顯示，全國約有2500萬hm2土地遭到不同程度的重金屬污染，占農(nóng)田總面積的1/5;污染嚴(yán)重的土地約70萬hm2,華而不實1.3萬hm2因嚴(yán)重鎘污染而被迫棄耕，其范圍牽涉11個省市25個地區(qū)[2-3].我們國家是農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國，每年要施用80~100萬t化學(xué)農(nóng)藥[4],農(nóng)藥施用面積在2.8億hm2以上。當(dāng)前，我們國家有87萬~107萬hm2的農(nóng)田土壤遭到農(nóng)藥污染[5-6].有關(guān)研究表示清楚，使用的農(nóng)藥有80%~90%最終進入土壤[7].為破解土壤重金屬和農(nóng)藥污染給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來的困局，迫切需要一種材料或技術(shù)既能穩(wěn)定化土壤重金屬，又能治理土壤農(nóng)藥污染。石棉尾礦渣是一種良好的無機礦物吸附材料，其在重金屬污染廢水處理[8-9]及有機廢水處理[10-11]中的應(yīng)用已有報道，石棉尾礦渣有良好的孔道構(gòu)造，較大的孔體積和較高的比外表積，使其在土壤重金屬及農(nóng)業(yè)污染治理中表現(xiàn)出宏大潛力[12-14],本文圍繞石棉尾礦渣的礦物學(xué)特性和理化特性，對石棉尾礦渣在土壤污染治理中的應(yīng)用進行了分析總結(jié)。1石棉尾礦渣礦物特性1.1石棉尾礦渣礦物學(xué)特征1.1.1礦物組成石棉礦物是富鎂超基性巖受高溫氣體、液體蝕變而成，主成分是蛇紋石，其種類和性質(zhì)由成巖條件決定。主要組成元素為Mg和Si,同時含有Cr、Co、Ni、Ti、V等微量元素，天然石棉礦物理論含MgO43%,SiO244.1%,H2O12.9%,通常MgO含量40%以上[15].不同礦床，甚至同一礦床不同地段的化學(xué)成分與理論含量都有差異，這是由于在實際礦床中，通常還含有少量的鐵、鋁、鈣、鎳等元素的氧化物。1.1.2晶體構(gòu)造石棉礦物是富鎂的層狀硅鎂酸鹽礦物，其化學(xué)式為Mg6[Si4O10]〔OH〕8,代替Mg的有Fe、Mn、Cr、Ni、Al等，進而能夠構(gòu)成相應(yīng)的變種成分。石棉是TO型層狀礦物，其構(gòu)造中，八面體片由氫氧鎂石層構(gòu)成，即Mg填充了八面體片的全部八面體空隙，屬三八面體構(gòu)造。卷曲方式有螺旋式、套管式、卷軸式3種[16].華而不實，纖蛇紋石以四面體居內(nèi)、八面體居外的構(gòu)造層彎曲方式構(gòu)成卷管狀構(gòu)造和纖維狀形態(tài)[17-19].1.1.3化學(xué)基團根據(jù)石棉礦物的化學(xué)成分、晶體構(gòu)造等特點，對構(gòu)成其活性基團的各種化學(xué)鍵及化學(xué)元素性質(zhì)進行分析研究后，將其活性基團分為5類：不飽和O-Si-O鍵、Si-O-Si鍵、含鎂鍵類、羥基和氫鍵[17].石棉纖維柱面上除存在活性較強的羥基等活性基團外，纖維端面上還存在不飽和的O-Si-O、Si-O-Si、Mg-O鍵，這使其外表具有很高的活性。同時，卷管構(gòu)造而引起的晶格彎曲引進附加的內(nèi)能和外表能，這也增加了其化學(xué)活性[15].1.2石棉尾礦渣物理化學(xué)特性石棉尾礦渣是一種天然含水硅鎂酸鹽礦物，硬度為2.5~4.0,密度為2.50~2.65g/cm3,有蠟狀光澤，含鐵量高時呈暗黃色，含鋁量高時為暗灰色，有滑膩感。分片狀、塊狀、針狀3種形態(tài)。熱穩(wěn)定性好，純凈的石棉纖維的脫羥基、構(gòu)造毀壞一般在500℃以上。熱導(dǎo)率低，屬半絕緣體，是良好的耐熱絕緣礦物材料。石棉纖維有較強的耐堿性，強堿蝕量為0.3%~0.7%;較低的耐酸性，酸蝕量達50%~60%.石棉纖維具有較大外表活性，主要來源于纖維兩端的斷面，纖維管內(nèi)、外外表及外表殘缺處的不飽和鍵[17],納米晶體所帶來的高外表[18],及其獨特的卷曲構(gòu)造導(dǎo)致的晶格彎曲而引起的附加內(nèi)能和外表能。2石棉尾礦渣在土壤環(huán)境污染治理中的應(yīng)用2.1重金屬污染土壤治理石棉尾礦渣含有大量活性基團，十分是羥基、Si-O-Si和Mg鍵，使其對重金屬陽離子表現(xiàn)出極高的化學(xué)親和力。郭繼香等[20]證實，蛇紋石對重金屬Cd2+、Cu2+、Fe3+、Pb2+、Ni2+的吸附容量依次為0.508,2.050,2.000,0.298,0.232mg/g.對石油污水中Cd2+、Cu2+、Fe3+、Pb2+、Ni2+的去除率分別為83.7%、89.5%、90.7%、44.8%、53.5%,對合成水樣去除率都在99%以上。楊志寬等[21]報道，蛇紋石在吸附劑粒度為80目，吸附時間為45min,酸堿度pH=7時，對銅離子的去除率達90%.章智明等[22]研究證實，蛇紋石礦物〔MCM〕能顯著抑制玉米從土壤中吸收Pb2+、Cd2+,阻礙Pb向玉米莖稈和籽粒中的遷移，對重金屬Pb、Cd污染土壤有顯著的固化修復(fù)作用。章智明等[23]還證實在酸性條件下，蛇紋石能促進土壤對Pb2+的吸附；在堿性條件下，蛇紋石使土壤對Pb2+、Cd2+的解吸量大幅降低；蛇紋石還能夠促進土壤對AsO-2的吸附，對AsO-2的解吸則影響不大。2.2石棉尾礦渣在農(nóng)藥污染治理中的應(yīng)用石棉纖維構(gòu)造中懸空硅既可得到電子，還可失去電子，可生成有機硅化合物。懸空硅可與其他原子或基團結(jié)合構(gòu)成Si-OH、Si-Cl、Si-H和Si-C鍵等。石棉纖維外外表羥基層中OH-的微量溶解使溶液呈堿性。在堿性條件下，水中的農(nóng)藥等有機污染物，如敵百蟲、二溴磷、蠅毒磷、氨基乙二酰、茅草枯、倍硫磷和亞硝氨類等能夠加速分解和水解，降低毒性，甚至分解為無毒物質(zhì)。另外，石棉纖維外表的羥基能夠與多環(huán)芳烴〔PAH〕分子結(jié)合[24].石棉纖維外表電負性較強，可與陽離子型農(nóng)藥〔如百草枯、草甘膦等〕之間通過靜電引力構(gòu)成較強的吸附[25].但是，對非離子型和陰離子型農(nóng)藥的吸附較弱，通常需要進行有機改性以提高其吸附能力。將改性黏土用于農(nóng)藥制劑中，能夠利用其吸附作用，延緩農(nóng)藥活性成分的釋放。采用有機季銨鹽陽離子改性得到的有機改性黏土可延緩多種農(nóng)藥的釋放速度，延長持效期，同時能夠提高農(nóng)藥的光穩(wěn)定性，減少農(nóng)藥在土壤中的遷移[26-28].2.3石棉尾礦渣在農(nóng)藥緩釋助劑方面的應(yīng)用潛力石棉礦物與其他層狀硅酸鹽礦物〔如天然沸石、膨潤土、高嶺土、海泡石、凹凸棒石、滑石、硅藻土〕一樣，經(jīng)粉碎加工之后，其外表積大、吸附能力強，能夠作為農(nóng)藥的載體、摻合劑和吸附劑，提高農(nóng)藥的殺蟲滅菌的成效，延長農(nóng)藥有效期，進而減少農(nóng)藥的施用量，間接起到防治污染的作用。任彩霞等[29]研究發(fā)現(xiàn)，有機膨潤土作為農(nóng)藥載體能夠顯著延緩除草劑乙草胺在土壤中的釋放，進而有助于保持土壤表層的除草劑含量，延長除草效果。李建法等[30]報道有機膨潤土能夠降低印楝素A在水中的釋放速率，且膨潤土改性時有機陽離子用量越多，印楝素A釋放越慢。Gerstl等[31]和Fernndez-Prez等[32]采用海藻酸鹽與黏土復(fù)合，制備復(fù)合型農(nóng)藥載體，提高了改性黏土對農(nóng)藥的載藥能力，強化了對農(nóng)藥的控釋作用。石棉礦物在礦物組成、化學(xué)基團、空間構(gòu)造等方面與上述層狀硅酸鹽礦物非常類似，因而，石棉礦物也具有作為農(nóng)藥助劑的應(yīng)用潛力。3石棉尾礦渣在環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用存在的問題天然石棉尾礦渣是一種偏堿性礦物，在實際農(nóng)業(yè)應(yīng)用中可能對重金屬或農(nóng)藥吸附能力缺乏[33]、對土壤構(gòu)造及理化性質(zhì)擾動較大，對人體健康有不利影響[34].其在重金屬或有機污染廢水處理中應(yīng)用較多，在土壤重金屬污染或有機污染治理方面相關(guān)研究較少，天然石棉尾礦渣功能單一，石棉尾礦渣基復(fù)合材料研制與集成應(yīng)用技術(shù)開發(fā)缺乏，其在土壤改進和土壤污染治理中的應(yīng)用重視程度不夠，且對其作用機理及后續(xù)環(huán)境風(fēng)險評價缺乏充分研究。4石棉尾礦渣在環(huán)境治理應(yīng)用瞻望針對石棉尾礦渣在實際農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的問題，應(yīng)從下面幾個方面采取措施。1〕天然石棉尾礦渣由于含有有機質(zhì)及大量雜質(zhì)，孔洞構(gòu)造不通暢，吸附能力缺乏。對石棉尾礦渣進行酸浸或進行煅燒處理，能夠加強其吸附能力。對石棉尾礦使用鹽酸在一定工藝條件下浸出后，尾礦中可與酸反響的氧化鎂、氧化鐵、氧化亞鐵、氧化鋁、氧化鈉、氧化鉀、氧化鈣等成分絕大部分進入反響后的濾液中，而殘渣中主要是不參加反響的二氧化硅，是一種理想的吸附材料。楊艷霞[18]、檀竹紅[35]通過酸改性石棉尾礦渣，不但去除了石棉的纖維構(gòu)造，而且增大了其比外表積，對重金屬離子的吸附量大幅增加。將酸浸渣用于重金屬污染廢水處理，對Zn2+的吸附去除效果很好。檀竹紅等[36]研究表示清楚，石棉尾礦酸浸渣的比外表積隨煅燒溫度的提高而增加，在600℃時達最大值379.33m2/g.2〕石棉尾礦渣在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用潛力，已引起包括化工、環(huán)保及礦物加工等領(lǐng)域?qū)＜业闹匾昜34],應(yīng)加強其對生態(tài)環(huán)境及人體健康的風(fēng)險評估及應(yīng)對措施的研究。將石棉尾礦渣與其他酸性材料復(fù)合應(yīng)用，或經(jīng)過酸浸處理，可極大減輕石棉尾礦渣對環(huán)境及人體的不利影響。腐殖酸是一種弱酸性高分子混合物，如與石棉尾礦渣配合施用，可緩解蛇紋石改變土壤酸堿度的不良影響，還能夠加強蛇紋石的吸附能力，增加可吸附污染物的種類，腐殖酸還能夠改善土壤構(gòu)造，加強土壤肥力和微生物的種類和數(shù)量[37].經(jīng)過酸浸反響后，對人體及環(huán)境有害的石棉原纖維絕大部分被毀壞，剩下的二氧化硅可能以原來的排列方式排列，構(gòu)成具有較高比外表積的無定型二氧化硅[38].3〕石棉尾礦渣在治理土壤重金屬污染、農(nóng)藥污染等方面應(yīng)用的作用條件、作用機理及吸附材料的脫附再生問題的研究仍然相對缺乏。石棉尾礦渣對土壤重金屬離子、農(nóng)藥的吸附穩(wěn)定性事關(guān)污染治理效果，石棉尾礦渣吸附這些污染物之后，只是降低了其生物有效性或遷移能力，并不是永久性去除，因而，弄清石棉尾礦渣吸附重金屬的條件、機理及吸附劑的脫附再生的問題，能夠采取措施防備污染物再次進入土壤或減緩其再次進入環(huán)境的速率。以下為參考文獻：[1]周春梅。入世與中國農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的應(yīng)對措施[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2001,21〔6〕：7-