土壤重金属化学行为及污染治理

1、土壤重金属化学行为土壤重金属化学行为与污染治理与污染治理胡星明胡星明合肥师范学院化学化工系合肥师范学院化学化工系问题引入问题引入 全球性环境问题全全 球球 气气 候候 变变 化化 在过去的一个世纪里，全球表面平均温度上升了0.3至0.6摄氏度，海平面上升了10至25厘米。目前地球大气中的二氧化碳浓度已由工业革命（1750年）之前的280ppm增加了10%。如果世界能源消费的格局不发生根本性变化，到21世纪中叶，大气中的二氧化碳浓度将达到560ppm，全球平均温度可能上升1.5至4摄氏度，将给全球人类带来灾难性后果。臭臭 氧氧 层层 破破 坏坏 和和 损损 耗耗自自19851985年南极上空出现

2、臭氧层空洞以来，地球上年南极上空出现臭氧层空洞以来，地球上空臭氧层被损耗的现象一直有增无减。到空臭氧层被损耗的现象一直有增无减。到19941994年，年，南极上空的臭氧层破坏面积已达南极上空的臭氧层破坏面积已达24002400万平方公里。万平方公里。现在在美国、加拿大、西欧、前苏联、中国、日现在在美国、加拿大、西欧、前苏联、中国、日本等国的上空，臭氧层都开始变薄。全世界向大本等国的上空，臭氧层都开始变薄。全世界向大气排放的消耗臭氧层物质（气排放的消耗臭氧层物质（ODSODS）已达到了）已达到了20002000万吨。由于万吨。由于ODSODS相当稳定，可在大气层中存在相当稳定，可在大气层中存在5

3、0-50-100100年，会不断与臭氧发生反应，即使全世界完全年，会不断与臭氧发生反应，即使全世界完全停止排放停止排放ODSODS，也要再过，也要再过2020年，人类才能看到臭年，人类才能看到臭氧层恢复的迹象。氧层恢复的迹象。19791992年南极臭氧空洞图年南极臭氧空洞图19791980198119821983198419901989198819851986198719921991臭氧层对地球的保护示意图臭氧层对地球的保护示意图臭氧层主要吸收紫外线保护地球生物，同时也是温室气体，吸收热量，维持地球热量的动态平衡酸雨污染酸雨污染“酸雨” 泛指酸性物质以湿沉降（雨、雪）或干沉降（酸性颗粒物）的形

4、式从大气转移到地面上。酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，主要来源于人类广泛使用化石燃料，向大气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坏建筑，更使使全球酸雨破坏建筑，更使使全球30%30%的林区因酸雨的影响而退化。的林区因酸雨的影响而退化。有些湖泊因酸化改变水生生态，有些湖泊因酸化改变水生生态，导致鱼类灭绝。土壤酸化会使导致鱼类灭绝。土壤酸化会使土壤贫瘠化，导致陆地生态系土壤贫瘠化，导致陆地生态系统的退化。统的退化。酸雨污染的危害水水 资资 源源 危危 机机目前世界上约有目前世界上约有20个国家严重缺个国家严重缺水，全球有水，全球有10亿亿多人口无法得到多人口无法得

5、到安全的饮用水。安全的饮用水。森森 林林 植植 被被 破破 坏坏地球森林面积约为地球森林面积约为30-60亿公顷，亿公顷，约占陆地面积的约占陆地面积的20%-40%，但在，但在工业化过程中，森林大面积被毁工业化过程中，森林大面积被毁引起了多种环境后果，主要有：引起了多种环境后果，主要有：降雨分布变化，二氧化碳排放量降雨分布变化，二氧化碳排放量增加，气候异常，水土流失，洪增加，气候异常，水土流失，洪涝频发，生物多样性减少等。涝频发，生物多样性减少等。海海 洋洋 资资 源源 破破 坏坏 和和 污污 染染近几十年来，全球范围内的海近几十年来，全球范围内的海洋生产力和海洋环境质量出现洋生产力和海洋环境

6、质量出现明显退化。明显退化。2/3以上的海洋鱼以上的海洋鱼类已被最大限度或过度捕捞，类已被最大限度或过度捕捞，已经灭绝或濒临灭绝，另有已经灭绝或濒临灭绝，另有44%的鱼类的捕捞已达到生物的鱼类的捕捞已达到生物极限。而另一方面，人类活动极限。而另一方面，人类活动产生的大部分废物和污染物最产生的大部分废物和污染物最终都进入了海洋。终都进入了海洋。难难 以以 处处 理理 的的 有有 毒毒 化化 学学 废废 物物现在全球每年产生的有毒有害化学废物现在全球每年产生的有毒有害化学废物3亿到亿到4亿吨，其中对生态亿吨，其中对生态危害最大、扩散最广的是持久性有机污染物（危害最大、扩散最广的是持久性有机污染物（

7、POPs），如多氯），如多氯联苯和滴滴涕。使男性精子数目锐减，男性不育症增加。男婴出联苯和滴滴涕。使男性精子数目锐减，男性不育症增加。男婴出生率下降。动物雌性化现象严重。以及畸形个体增加。生率下降。动物雌性化现象严重。以及畸形个体增加。生物多样性锐减 地球上约有地球上约有1400万种物万种物种，但当前地球上的生物种，但当前地球上的生物多样性损失的速度比历史多样性损失的速度比历史上任何时候都快，鸟类和上任何时候都快，鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度哺乳动物现在的灭绝速度是它们在未受干扰的自然是它们在未受干扰的自然界中的界中的100倍至倍至1000倍。倍。民以食为天民以食为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为天民以食为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机物污染土壤有机物污染土壤无机物污染（重金属）土壤无机物污染（重金属）PbCdCrHgAs 危害危害 (1)影响植物根和叶的发育影响植物根和叶的发育 (2)破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等统等植物病例植物病例人类病例人类病例二、重金属危害和污染特点二、重金属危害和污染特点土壤重金属污染特点土壤重金属污染特点 (1)重金属不能被微生物降解，是环境长期、潜在的污重金属不能被微生物降解，是环境长期、潜在的污染物；染物；(2)因土壤胶体和颗

9、粒物的吸附作用，长期存在于土壤因土壤胶体和颗粒物的吸附作用，长期存在于土壤中，浓度多成垂直递减分布；中，浓度多成垂直递减分布； (3)与土壤中的配位体与土壤中的配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子、氯离子、硫酸离子、氢氧离子、腐蚀质等腐蚀质等)作用，生成络合物或螯合物，导致重金属作用，生成络合物或螯合物，导致重金属在土壤中有更大的溶解度和迁移活性；在土壤中有更大的溶解度和迁移活性；(4)土壤重金属可以通过食物链被生物富集，产生生物土壤重金属可以通过食物链被生物富集，产生生物放大作用；放大作用；(5)重金属的形态不同，其活性与毒性不同，土壤重金属的形态不同，其活性与毒性不同，土壤pH、Eh、颗粒物

10、以及有机质含量等条件深刻影响它在土、颗粒物以及有机质含量等条件深刻影响它在土壤中的迁移和转化；壤中的迁移和转化；三、土壤重金属污染来源三、土壤重金属污染来源自然来源自然来源 （1）成土母质的）成土母质的风化过程风化过程对土壤重金属本底含量的影响对土壤重金属本底含量的影响 （2）风力和水力搬运风力和水力搬运的自然物理和化学迁移过程的自然物理和化学迁移过程人为干扰输入人为干扰输入 （1）不同）不同工矿企业工矿企业工业生产对土壤重金属的额外输入工业生产对土壤重金属的额外输入 （2）农业生产农业生产活动影响下的土壤重金属输入活动影响下的土壤重金属输入 （3）交通运输交通运输对土壤重金属污染的影响对土壤

11、重金属污染的影响 四、土壤重金属环境化学行为四、土壤重金属环境化学行为迁移过程迁移过程 （1）机械迁移机械迁移 （2）物理物理化学迁移化学迁移(溶解溶解-沉淀；氧化沉淀；氧化-还原等还原等) （3）生物迁移生物迁移 转化过程转化过程 （1）物理）物理化学转化化学转化 （2）生物转化）生物转化 五、影响土壤重金属环境化学行为的因素五、影响土壤重金属环境化学行为的因素土壤颗粒物粒径土壤颗粒物粒径土壤有机质含量土壤有机质含量土壤土壤PH值和酸碱度值和酸碱度土壤生物和植被土壤生物和植被 六、土壤重金属污染的来源定量解析六、土壤重金属污染的来源定量解析 重金属的形态分布重金属的形态分布 重金属的形态：可

12、交换态、碳酸盐态、铁锰氧化物结合重金属的形态：可交换态、碳酸盐态、铁锰氧化物结合态、有机硫化物态和残渣态。态、有机硫化物态和残渣态。元素剖面分布元素剖面分布 由于土壤对重金属的固定，外源重金属大都富集在土由于土壤对重金属的固定，外源重金属大都富集在土壤表层而比较难向下迁移壤表层而比较难向下迁移 同位素示踪研究同位素示踪研究 各种元素的同位素成分来区分各种地质体的物质来源各种元素的同位素成分来区分各种地质体的物质来源 空间分析空间分析 应用应用GIS技术分析异常空间分布与污染源的关系有可技术分析异常空间分布与污染源的关系有可能直观地判断出异常的成因能直观地判断出异常的成因 七、土壤重金属污染治理

13、七、土壤重金属污染治理土壤重金属污染物的土壤重金属污染物的检测分析检测分析土壤重金属的土壤重金属的治理方法治理方法 土壤重金属污染的治理方法土壤重金属污染的治理方法 农业生态修复农业生态修复 ： 主要换土、客土和深耕翻土等（主要换土、客土和深耕翻土等（图图） 植物修复技术（植物修复技术（图图） (1)植物提取和富集（植物提取和富集（图图） (2)植物挥发（植物挥发（图图） (3)植物稳定（植物稳定（图图） 常见修复植物常见修复植物 物理化学修复物理化学修复 a.电动修复电动修复 b.电热修复电热修复 c.土壤淋溶土壤淋溶 化学修复化学修复 八、土壤重金属修复展望八、土壤重金属修复展望超累积植物

14、筛选与培育超累积植物筛选与培育 分子生物学和基因工程技术的应分子生物学和基因工程技术的应用用 生物修复综合技术的研究生物修复综合技术的研究 九：土壤重金属污染治理研究项目九：土壤重金属污染治理研究项目 2010年高等学校省级优秀青年人才基金项年高等学校省级优秀青年人才基金项目目无机无机-有机体协同原位化学固定修复有机体协同原位化学固定修复土壤重金属污染（基金号：土壤重金属污染（基金号：2010SQRL147） 2010年高校省级自然科学项目年高校省级自然科学项目高效土壤高效土壤重金属修复与重金属毒理和生物有效性研究重金属修复与重金属毒理和生物有效性研究（基金号：（基金号：KJ2010B437）

15、Hg中毒慢性As中毒Pb中毒 电子产品造成的铅污染，已电子产品造成的铅污染，已经成为铅污染的主要途径之一经成为铅污染的主要途径之一Cd中毒Cr中毒修复土壤重金属污染的植物修复土壤重金属污染的植物 小花南芥小花南芥：修复：修复Pb、Zn复合污染复合污染 蜈蚣草蜈蚣草：修复修复As污染污染 东南景天东南景天：修复修复Cd、Pb、Zn、Cu复合复合污染污染 龙葵龙葵：修复修复Cd污染污染 油菜油菜:修复修复Cd污染污染 在电场的作用下，通过电流的作用，土壤中的重金属离在电场的作用下，通过电流的作用，土壤中的重金属离子子(如如Pb、Cd、Cr、Zn等等)和无机离子以电透渗和电迁移和无机离子以电透渗和电

16、迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。 利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使利用高频电压产生电磁波，产生热能，对土壤进行加热，使污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从污染物从土壤颗粒内解吸出来，加快一些易挥发性重金属从土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术主要修复被土壤中分离，从而达到修复的目的。该技术主要修复被Hg和和Se等重金属污染的土壤。等重金属污染的土壤。 土壤淋洗：土壤淋洗： 利用淋洗液把土壤固相中的重金属利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水

17、进一步回收处理的土壤修复方法。的废水进一步回收处理的土壤修复方法。 常采用柱淋洗或堆积淋洗，该方法常采用柱淋洗或堆积淋洗，该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。液。 目前主要使用的淋洗剂为柠檬酸、目前主要使用的淋洗剂为柠檬酸、苹果酸、乙酸和苹果酸、乙酸和EDTAEDTA。 化学修复：化学修复： 向土壤投入改良剂，通过对重金属的向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。低重金属的生物有效性。 该方法在土壤原

18、位上进行的，简单易该方法在土壤原位上进行的，简单易行。但金属元素仍保留在土壤中，一旦重行。但金属元素仍保留在土壤中，一旦重金属在土壤中的形态改变，会再次危害生金属在土壤中的形态改变，会再次危害生物，并不是一种永久的修复措施。物，并不是一种永久的修复措施。 常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。 植物修复植物修复 植物富集植物富集A A：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）：采集后压制植物的一般照片（有黄斑）B B：X-X-射线放射自显影照片（能看出金属元素所在的部位）射线放射自显影照片（能看出金属元素所在的部位）C C：计算机重构的放射：计算机重构的放射富集重金属植物利用富集重金属植物利用植物挥发植物挥发植物稳定土壤重金属植物稳定土壤重金属 农业生态修复农业生态修复 土壤重金属污染物的检测分析土壤重金属污染物的检测分析 检测分析步骤检测分析步骤采样采样预处理预处理消解和提取消解和提取仪器分析仪器分析分析结果的质量保证分析结果的质量保证 土壤：发育于地球陆土壤：发育于地球陆地表面具有生物活性地表面具有生物活性和孔隙结构的介质，和孔隙结构的介质，含固液气三相系统。含固液气三相系