土壤環(huán)境污染治理中石棉尾礦渣的應用探討,土壤污染論文

土壤環(huán)境污染治理中石棉尾礦渣的應用探討,土壤污染論文0引言土壤重金屬污染和農藥污染，不但給我們國家農業(yè)經濟和社會發(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，占農田總面積的1/5;污染嚴重的土地約70萬hm2,華而不實1.3萬hm2因嚴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].我們國家是農藥生產和使用大國，每年要施用80~100萬t化學農藥[4],農藥施用面積在2.8億hm2以上。當前，我們國家有87萬~107萬hm2的農田土壤遭到農藥污染[5-6].有關研究表示清楚，使用的農藥有80%~90%最終進入土壤[7].為破解土壤重金屬和農藥污染給農業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來的困局，迫切需要一種材料或技術既能穩(wěn)定化土壤重金屬，又能治理土壤農藥污染。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]中的應用已有報道，石棉尾礦渣有良好的孔道構造，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特性和理化特性，對石棉尾礦渣在土壤污染治理中的應用進行了分析總結。1石棉尾礦渣礦物特性1.1石棉尾礦渣礦物學特征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晶體構造石棉礦物是富鎂的層狀硅鎂酸鹽礦物，其化學式為Mg6[Si4O10]〔OH〕8,代替Mg的有Fe、Mn、Cr、Ni、Al等，進而能夠構成相應的變種成分。石棉是TO型層狀礦物，其構造中，八面體片由氫氧鎂石層構成，即Mg填充了八面體片的全部八面體空隙，屬三八面體構造。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、八面體居外的構造層彎曲方式構成卷管狀構造和纖維狀形態(tài)[17-19].1.1.3化學基團根據石棉礦物的化學成分、晶體構造等特點，對構成其活性基團的各種化學鍵及化學元素性質進行分析研究后，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，卷管構造而引起的晶格彎曲引進附加的內能和外表能，這也增加了其化學活性[15].1.2石棉尾礦渣物理化學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、構造毀壞一般在500℃以上。熱導率低，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、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],及其獨特的卷曲構造導致的晶格彎曲而引起的附加內能和外表能。2石棉尾礦渣在土壤環(huán)境污染治理中的應用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石棉尾礦渣在農藥污染治理中的應用石棉纖維構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合構成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。另外，石棉纖維外表的羥基能夠與多環(huán)芳烴〔PAH〕分子結合[24].石棉纖維外表電負性較強，可與陽離子型農藥〔如百草枯、草甘膦等〕之間通過靜電引力構成較強的吸附[25].但是，對非離子型和陰離子型農藥的吸附較弱，通常需要進行有機改性以提高其吸附能力。將改性黏土用于農藥制劑中，能夠利用其吸附作用，延緩農藥活性成分的釋放。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藥的釋放速度，延長持效期，同時能夠提高農藥的光穩(wěn)定性，減少農藥在土壤中的遷移[26-28].2.3石棉尾礦渣在農藥緩釋助劑方面的應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，經粉碎加工之后，其外表積大、吸附能力強，能夠作為農藥的載體、摻合劑和吸附劑，提高農藥的殺蟲滅菌的成效，延長農藥有效期，進而減少農藥的施用量，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合，制備復合型農藥載體，提高了改性黏土對農藥的載藥能力，強化了對農藥的控釋作用。石棉礦物在礦物組成、化學基團、空間構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藥助劑的應用潛力。3石棉尾礦渣在環(huán)境修復中應用存在的問題天然石棉尾礦渣是一種偏堿性礦物，在實際農業(yè)應用中可能對重金屬或農藥吸附能力缺乏[33]、對土壤構造及理化性質擾動較大，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用較多，在土壤重金屬污染或有機污染治理方面相關研究較少，天然石棉尾礦渣功能單一，石棉尾礦渣基復合材料研制與集成應用技術開發(fā)缺乏，其在土壤改進和土壤污染治理中的應用重視程度不夠，且對其作用機理及后續(xù)環(huán)境風險評價缺乏充分研究。4石棉尾礦渣在環(huán)境治理應用瞻望針對石棉尾礦渣在實際農業(yè)應用中存在的問題，應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及大量雜質，孔洞構造不通暢，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)境污染治理中的應用潛力，已引起包括化工、環(huán)保及礦物加工等領域專家的重視[34],應加強其對生態(tài)環(huán)境及人體健康的風險評估及應對措施的研究。將石棉尾礦渣與其他酸性材料復合應用，或經過酸浸處理，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造，加強土壤肥力和微生物的種類和數(shù)量[37].經過酸浸反響后，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、農藥污染等方面應用的作用條件、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、農藥的吸附穩(wěn)定性事關污染治理效果，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。入世與中國農產品農藥殘留的應對措施[J].農業(yè)與技術，2001,21〔6〕：7-