天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料的制备及其在农用地Cd污染修复中的应用研究

王望权

（1.江西省地质局第五地质大队，江西 新余 338000；2.江西省地质局九0二地质大队，江西 南昌 330200；3，江西省地质矿产勘查开发局九0二地质大队，江西 南昌 330200）

工业经济蓬勃发展的同时，环境的污染衍生出许多问题，其中包括农产品的安全性问题。前些年，中国镉大米事件闹得沸沸扬扬，导致社会各界对食品安全问题甚为担心。据相关数据统计，我国多数矿山、化工产业周边农田都存在镉超标问题。中国作为农业大国和人口大国，食品安全是民生大计，直接关乎到每个人的日常生活问题。工业镉污染导致不少农用地镉含量超标，种植农作物后农副产品存在镉超标风险，继而存在潜在危害人体健康风险。目前土壤镉污染治理已经成为重要及热门研究课题之一，本研究以天然含水MgSiO3（海泡石，下称同）为载体合成新型土壤Cd污染修复剂，研究过程如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验试剂

实验试剂为 HCl（AR）、H2SO4（AR）、氨水（自制）、无水CH3CH2OH（AR）、NaHB4（AR）、FeSO4·7H2O（AR）、FeCl2（AR）、FeCl3（AR）、NaOH（AR）、HClO4（AR）、HNO3（AR）、HF（AR）、纯化天然含水MgSiO3（海泡石，购置于江西某环境科学研究机构）。

1.1.2 实验土壤

本研究所用土壤采集于江西省新余市渝水区某Cd污染企业附近农田，为农田表层（0～20 cm）耕作层土壤，去除土壤表面秸秆、树枝、较大颗粒砂石，于室内常温鼓风烘干、研磨后，经实验室用100目筛子筛后制备所得实验室污染土壤样品。经处理后，污染土壤理化性质如下：重金属类别为Cd2+（87.2 mg/kg），pH＝5.8，含水率25.6%。

1.1.3 实验仪器

实验仪器包括：原子吸收分光光度计（ZCA-100SF，北京中和测通仪器有限责任公司）、pH酸度计（PHS-3C，陕西凯利化玻仪器有限公司）、数显精密增力电动搅拌器（JJIA200W，上海科兴仪器有限公司）、真空干燥箱（无锡展霖环境试验设备有限公司，DZF-6210C）、永磁铁（购置于江西某环境科学研究机构，实验用品级），本研究所用实验仪器来自于本单位和江西某环境科学研究机构。

1.2 实验方法

1.2.1 土壤Cd污染新型修复剂天然载体合成

(1)在实验室精确配置2.0 mol/L的HCl溶液1000 mL。

(2)按照HCl和天然含水MgSiO3固液比1∶8，加入221.3 g海泡石，混合后于35℃环境下充分搅拌24小时。

(3)将搅拌后的混合液进行抽滤，滤饼用实验室自制蒸馏水进行清洗，直至清洗上清液pH为中性。

(4)将清洗后的固体产物置于真空干燥箱内干燥24小时，即得新型修复剂天然载体。

1.2.2 土壤Cd污染新型修复剂磁性天然载体合成

(1)称量189.2 g六水氯化铁（FeCl3·6H2O）固体，加入400 mL去离子水中进行搅拌充分溶解。

(2)称量所制得修复剂天然载体（酸改性海泡石）12.0 g，加进所配得的氯化铁溶液中，于65℃环境下搅拌加热10分钟。

(3)混合溶液中加入11.2 g七水硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）固体，进行搅拌溶解，控制溶液铁总浓度为1.5 mol/L，充分搅拌直至混合溶液变为均匀的悬浊液。

(4)向混合悬浊液中均匀缓慢滴加浓氨水溶液，调节溶液为碱性（pH＝10.0～11.0），搅拌反应1小时。

(5)搅拌反应后，将混合溶液置于60℃水域环境下陈化2小时以上，陈化后对混合液进行过滤（抽滤）分离。

(6)滤饼用去离子水洗涤，直至洗涤上清液为中性止，所得固体于65℃真空干燥箱内干燥24小时。

(7)对干燥后固体进行研磨，并经实验室用100目筛子筛分，即得新型修复剂磁性天然载体。

1.2.3 土壤Cd污染新型修复剂合成

(1)于氮气保护环境下，将11.2 g FeSO4·7H2O溶于200 mL去离子水中，将所得溶液置于三口烧瓶（500 mL）中，加入纳米级天然含水MgSiO3，于常温条件下搅拌吸附4小时。

(2)向溶液滴加50 mL无水乙醇，搅拌4小时。

(3)取100 mL去离子水（通过NaOH调节pH值为9～10），加入6.0 g NaBH4，制得弱碱性硼氢化钠溶液。

(4)在氮气保护环境和转速2200r/min条件下，将弱碱性硼氢化钠溶液缓慢滴加至(2)所得溶液中，滴加结束后，继续搅拌反应2小时。

(5)于55 mT磁场条件下，对混合溶液进行磁选分离，用无水乙醇和无氧去离子水对磁选目的固体进行过滤、洗涤，直至洗涤上清液为中性止。

(6)所得黑色固体于真空干燥箱内80℃干燥，即得目的产物天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料。

1.2.4 新型修复剂合成修复Cd污染土壤实验

(1)称10.0 g经处理后的实验室污染土壤样品，置于150 mL带塞三角烧瓶中，滴加去离子水25 mL，通过HCl和NaOH进行调节pH值（约为7.0）。

(2)分别于不同组项实验中加入所制备土壤Cd污染修复剂（天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料）0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.8 g、1.0 g、1.5 g，于30℃、180 r/min水浴搅拌条件下反应4小时。

(3)通过磁选分选出修复剂和土壤样品，土壤样品于110℃真空干燥箱干燥24小时后再研磨，研磨得到修复处理后的土壤样品。

(4)将处理后的土壤样品经消解、定容等处理后，用原子吸收分光光度计进行Cd含量测定。

(5)新型修复剂合成修复Cd污染土壤实验进行多组实验，结果按照数据处理规范取其均值。

天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料对污染土壤Cd修复效率=（土壤修复前Cd含量-土壤修复后Cd含量）/土壤修复后Cd含量×100%。

2 结果与分析

由下图表可知，随着修复剂（天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料）的剂量增加，土壤Cd去除效果提高，整体Cd去除效果与修复剂添加量呈正比关系。当修复剂添加量在0.1～0.8 g时土壤Cd去除效果随着修复剂添加量的增加而增长明显，当修复剂添加量大于0.8 g时，土壤Cd去除效果随修复剂添加量的增加而提高并不明显，基本趋于平稳状态。

表1 新型土壤Cd污染修复剂修复效率实验结果统计表

3 讨论

图1 新型修复剂Cd污染土壤修复效果

本研究以天然含水MgSiO3（海泡石）为载体合成新型土壤Cd污染修复剂，研究结果表明天然含水MgSiO3负载Fe0新型复合材料对土壤Cd污染修复有一定效果，值得进一步深入研究和实际应用。通过本研究可为土壤Cd污染修复研究领域及实际工程应用领域提供相关思路与指导性建议。土壤成分及污染修复机理复杂，本研究仅针对土壤Cd污染开展研究，未综合考虑不同质地土壤污染和修复治理中的协同、耦合等复杂机理，希望在日后研究中能从工艺优化、机理研究等多方面进行更深层次的相关研究。