土壤重金屬化學(xué)行為與污染治理

土壤重金屬化學(xué)行為與污染治理胡星明合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系問題引入全球性環(huán)境問題全球氣候變化

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。臭氧層破壞和損耗自1985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1994年，南極上空的臭氧層破壞面積已達(dá)2400萬平方公里?，F(xiàn)在在美國(guó)、加拿大、西歐、前蘇聯(lián)、中國(guó)、日本等國(guó)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)（ODS）已達(dá)到了2000萬噸。由于ODS相當(dāng)穩(wěn)定，可在大氣層中存在50-100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ODS，也要再過20年，人類才能看到臭氧層恢復(fù)的跡象。1979~1992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”泛指酸性物質(zhì)以濕沉降（雨、雪）或干沉降（酸性顆粒物）的形式從大氣轉(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。酸雨的形形成酸雨危害害酸雨破壞壞建筑，，更使使使全球30%的林區(qū)因因酸雨的的影響而而退化。。有些湖湖泊因酸酸化改變變水生生生態(tài)，導(dǎo)導(dǎo)致魚類類滅絕。。土壤酸酸化會(huì)使使土壤貧貧瘠化，，導(dǎo)致陸陸地生態(tài)態(tài)系統(tǒng)的的退化。。酸雨污染染的危害害水資資源源危危機(jī)機(jī)目前世界界上約有有20個(gè)國(guó)家嚴(yán)嚴(yán)重缺水水，全球球有10億多人口口無法得得到安全全的飲用用水。森林林植植被被破破壞壞地球森林林面積約約為30-60億公頃，，約占陸陸地面積積的20%-40%，但在工工業(yè)化過過程中，，森林大大面積被被毀引起起了多種種環(huán)境后后果，主主要有：：降雨分分布變化化，二氧氧化碳排排放量增增加，氣氣候異常常，水土土流失，，洪澇頻頻發(fā)，生生物多樣樣性減少少等。海洋洋資資源源破破壞壞和和污污染染近幾幾十十年年來來，，全全球球范范圍圍內(nèi)內(nèi)的的海海洋洋生生產(chǎn)產(chǎn)力力和和海海洋洋環(huán)環(huán)境境質(zhì)質(zhì)量量出出現(xiàn)現(xiàn)明明顯顯退退化化。。2/3以上的海海洋魚類類已被最最大限度度或過度度捕撈，，已經(jīng)滅滅絕或?yàn)l瀕臨滅絕絕，另有有44%的魚類的的捕撈已已達(dá)到生生物極限限。而另另一方面面，人類類活動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生的大大部分廢廢物和污污染物最最終都進(jìn)進(jìn)入了海海洋。難以處處理理的有有毒毒化學(xué)學(xué)廢廢物現(xiàn)在全球球每年產(chǎn)產(chǎn)生的有有毒有害害化學(xué)廢廢物3億到4億噸，其其中對(duì)生生態(tài)危害害最大、、擴(kuò)散最最廣的是是持久性性有機(jī)污污染物（（POPs），如多多氯聯(lián)苯苯和滴滴滴涕。使使男性精子子數(shù)目銳銳減，男男性不育育癥增加加。男嬰嬰出生率率下降。。動(dòng)物雌雌性化現(xiàn)現(xiàn)象嚴(yán)重重。以及及畸形個(gè)個(gè)體增加加。生物多樣樣性銳減減地球上約約有1400萬種物種，但但當(dāng)前地球上上的生物多樣樣性損失的速速度比歷史上上任何時(shí)候都都快，鳥類和和哺乳動(dòng)物現(xiàn)現(xiàn)在的滅絕速速度是它們?cè)谠谖词芨蓴_的的自然界中的的100倍至1000倍。民以食為天——土壤荒漠化和和污染土壤土壤荒漠化土壤污染民以食為天——土壤荒漠化和和污染土壤污染土壤有機(jī)物污污染土壤無機(jī)物污污染（重金屬屬）PbCdCrHgAs危害(1)影響響植植物物根根和和葉葉的的發(fā)發(fā)育育(2)破壞壞人人體體神神經(jīng)經(jīng)系系統(tǒng)統(tǒng)、、免免疫疫系系統(tǒng)統(tǒng)、、骨骨骼骼系系統(tǒng)統(tǒng)等等植物物病病例例人類類病病例例二、、重重金金屬屬危危害害和和污污染染特特點(diǎn)點(diǎn)土壤壤重重金金屬屬污污染染特特點(diǎn)點(diǎn)(1)重金金屬屬不不能能被被微微生生物物降降解解，，是是環(huán)環(huán)境境長(zhǎng)長(zhǎng)期期、、潛潛在在的的污污染染物物；；(2)因土土壤壤膠膠體體和和顆顆粒粒物物的的吸吸附附作作用用，，長(zhǎng)長(zhǎng)期期存存在在于于土土壤壤中中，，濃濃度度多多成成垂垂直直遞遞減減分分布布；；(3)與土土壤壤中中的的配配位位體體(氯離離子子、、硫硫酸酸離離子子、、氫氫氧氧離離子子、、腐腐蝕蝕質(zhì)質(zhì)等等)作用用，，生生成成絡(luò)絡(luò)合合物物或或螯螯合合物物，，導(dǎo)導(dǎo)致致重重金金屬屬在在土土壤壤中中有有更更大大的的溶溶解解度度和和遷遷移移活活性性；；(4)土壤壤重重金金屬屬可可以以通通過過食食物物鏈鏈被被生生物物富富集集，，產(chǎn)產(chǎn)生生生生物物放放大大作作用用；；(5)重金屬的的形態(tài)不不同，其其活性與與毒性不不同，土土壤pH、Eh、顆粒物物以及有有機(jī)質(zhì)含含量等條條件深刻刻影響它它在土壤壤中的遷遷移和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化；三、土壤壤重金屬屬污染來來源自然來源源（1）成土母母質(zhì)的風(fēng)化過程程對(duì)土壤重重金屬本本底含量量的影響響（2）風(fēng)力和水水力搬運(yùn)運(yùn)的自然物物理和化化學(xué)遷移移過程人為干擾擾輸入（1）不同工礦企業(yè)業(yè)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)對(duì)土壤壤重金屬屬的額外外輸入（2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)活動(dòng)影響響下的土土壤重金金屬輸入入（3）交通運(yùn)輸輸對(duì)土壤重重金屬污污染的影影響四、土壤壤重金屬屬環(huán)境化化學(xué)行為為遷移過程程（1）機(jī)械遷移移（2）物理—化學(xué)遷移移(溶解-沉淀；氧氧化-還原等)（3）生物遷移移轉(zhuǎn)化過程程（1）物理—化學(xué)轉(zhuǎn)化化（2）生物轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化五、影響響土壤重重金屬環(huán)環(huán)境化學(xué)學(xué)行為的的因素土壤顆粒粒物粒徑徑土壤有機(jī)機(jī)質(zhì)含量量土壤PH值和酸堿堿度土壤生物物和植被被六、土壤壤重金屬屬污染的的來源定定量解析析重金屬的的形態(tài)分分布重金屬的的形態(tài)：：可交換換態(tài)、碳碳酸鹽態(tài)態(tài)、鐵錳錳氧化物物結(jié)合態(tài)態(tài)、有機(jī)機(jī)硫化物物態(tài)和殘殘?jiān)鼞B(tài)。。元素剖面面分布由于土壤壤對(duì)重金金屬的固固定，外外源重金金屬大都都富集在在土壤表表層而比比較難向向下遷移移同位素示示蹤研究究各種元元素的的同位位素成成分來來區(qū)分分各種種地質(zhì)質(zhì)體的的物質(zhì)質(zhì)來源源空間分分析應(yīng)用GIS技術(shù)分分析異異?？湛臻g分分布與與污染染源的的關(guān)系系有可可能直直觀地地判斷斷出異異常的的成因因七、土土壤重重金屬屬污染染治理理土壤重重金屬屬污染染物的的檢測(cè)分分析土壤重重金屬屬的治理方方法土壤重重金屬屬污染染的治治理方方法農(nóng)業(yè)生態(tài)修修復(fù)：主要換土、、客土和深深耕翻土等等（圖）植物修復(fù)技技術(shù)（圖）(1)植物提取和和富集（圖）(2)植物揮發(fā)（（圖）(3)植物穩(wěn)定（（圖）常見修復(fù)植植物物理化學(xué)修修復(fù)a.電動(dòng)修復(fù)b.電熱修復(fù)c.土壤淋溶化學(xué)修復(fù)八、土壤重重金屬修復(fù)復(fù)展望超累積植物物篩選與培培育分子生物學(xué)學(xué)和基因工工程技術(shù)的的應(yīng)用生物修復(fù)綜綜合技術(shù)的的研究九：土壤重重金屬污染染治理研究究項(xiàng)目2010年高等學(xué)校校省級(jí)優(yōu)秀秀青年人才才基金項(xiàng)目目——無機(jī)-有機(jī)體協(xié)同同原位化學(xué)學(xué)固定修復(fù)復(fù)土壤重金金屬污染（（基金號(hào)：：2010SQRL147）2010年高校省級(jí)級(jí)自然科學(xué)學(xué)項(xiàng)目——高效土壤重重金屬修復(fù)復(fù)與重金屬屬毒理和生生物有效性性研究（基基金號(hào)：KJ2010B437）謝謝Hg中毒慢性As中毒Pb中毒電子產(chǎn)品造造成的鉛污污染，已經(jīng)經(jīng)成為鉛污污染的主要要途徑之一一Cd中毒Cr中毒修復(fù)土壤重重金屬污染染的植物小花南芥：修復(fù)Pb、Zn復(fù)合污染蜈蚣草：修復(fù)As污染東南景天：修復(fù)Cd、Pb、Zn、Cu復(fù)合污染龍葵：修復(fù)Cd污染油菜:修復(fù)Cd污染在電場(chǎng)的作作用下，通通過電流的的作用，土土壤中的重重金屬離子子(如Pb、Cd、Cr、Zn等)和無機(jī)離子子以電透滲滲和電遷移移的方式向向電極運(yùn)輸輸，然后進(jìn)進(jìn)行集中收收集處理。。利用高頻電電壓產(chǎn)生電電磁波，產(chǎn)產(chǎn)生熱能，，對(duì)土壤進(jìn)進(jìn)行加熱，，使污染物物從土壤顆顆粒內(nèi)解吸吸出來，加加快一些易易揮發(fā)性重重金屬?gòu)耐镣寥乐蟹蛛x離，從而達(dá)達(dá)到修復(fù)的的目的。該該技術(shù)主要要修復(fù)被Hg和Se等重金屬污污染的土壤壤。土壤淋洗：：利用淋洗液液把土壤固固相中的重重金屬轉(zhuǎn)移移到土壤液液相中去，，再把富含含重金屬的的廢水進(jìn)一一步回收處處理的土壤壤修復(fù)方法法。常采用柱淋淋洗或堆積積淋洗，該該方法的技技術(shù)關(guān)鍵是是尋找一種種既能提取取各種形態(tài)態(tài)的重金屬屬，又不破破壞土壤結(jié)結(jié)構(gòu)的淋洗洗液。目前主要使使用的淋洗洗劑為檸檬檬酸、蘋果果酸、乙酸酸和EDTA?；瘜W(xué)修復(fù)：：向土壤投入入改良劑，，通過對(duì)重重金屬的吸吸附、氧化化還原、拮拮抗或沉淀淀作用，以以降低重金金屬的生物物有效性。。該方法在土土壤原位上上進(jìn)行的，，簡(jiǎn)單易行行。但金屬屬元素仍保保留在土壤壤中，一旦旦重金屬在在土壤中的的形態(tài)改變變，會(huì)再次次危害生物物，并不是是一種永久久的修復(fù)措措施。常用的改良良劑有石灰灰、沸石、、碳酸鈣、、磷酸鹽、、硅酸鹽和和促進(jìn)還原原作用的有有機(jī)物質(zhì)，，不同改良良劑對(duì)重金金屬的作用用機(jī)理不同同。植物修復(fù)植物富集A：采集后壓壓制植物的的一般照片片（有黃斑斑）B：X-射線放射自自顯影照片片（能看出出金屬元素素所在的部部位）C：計(jì)算機(jī)重重構(gòu)的放射射富集重金屬屬植物利用用植物揮發(fā)植物穩(wěn)定土土壤重金屬屬農(nóng)業(yè)生態(tài)修修復(fù)土壤重金屬屬污染物的的檢測(cè)分析析檢測(cè)分析步步驟采樣預(yù)處理消解和提取取儀器分析分析結(jié)果的的質(zhì)量保證證土壤：發(fā)育育于地球陸陸地表面具具有生物活活性和孔隙隙結(jié)構(gòu)的介介質(zhì)，含固固液氣三相相系統(tǒng)。土地荒漠貧貧瘠化荒漠化是當(dāng)當(dāng)今世界最最嚴(yán)重的環(huán)環(huán)境與社會(huì)會(huì)經(jīng)濟(jì)問題題。全球荒漠化化面積已近近36億公頃，約約占全球陸陸地面積的的1/4，已影響到到全世界1/6的人口（約約9億人），100多個(gè)國(guó)家和和地區(qū)。全球每年有有600萬公頃的土土地變?yōu)榛幕哪?100萬公頃土地地因退化而而不能生長(zhǎng)長(zhǎng)谷物。亞洲洲是是世世界界上上受受荒荒漠漠化化影影響響的的人人口口分分布布最最集集中中的的地地區(qū)區(qū)，，遭遭受受荒荒漠漠化化影影響響最最嚴(yán)嚴(yán)重