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土壤在環(huán)境污染治理中的研究與應用研究

2014-04-29 12:32:47李明星
西江月·上旬 2014年4期
關鍵詞:污染治理綜述土壤

李明星

【摘 要】本文介紹了土壤體系中的粘土礦物及改性土壤吸附固定污染物的機理及進展,和土壤高級氧化體系(土壤Fenton體系和天然半導體礦物的光催化氧化)降解污染物的機理及現(xiàn)狀,并就該研究領域的未來應用進行了探討。

【關鍵詞】土壤;污染治理;綜述

1、前言

如今環(huán)境問題已是人類關注的熱點問題,解決環(huán)境問題也倍受世界各國研究人員的關注,他們在尋找治污材料中,由于受治污材料的難求和研究經費等的影響,所以更關注那些天然的治污材料。研究天然土壤或改性土壤對污染物進行吸附、氧化還原等一系列作用在環(huán)境處理中具有重要的意義。土壤是由許多礦物及有機物、土壤生物、水分、空氣等混合而成,質地比較疏松,具有吸附、絡合、氧化還原等作用,故可對污染物質進行固定和降解,并可殺死污染物質中的有害微生物,進而達到治污的目的。土壤治污過程中無二次污染物的產生且治理費用低、原料易得等優(yōu)點,如今已被廣泛應用。

2、粘土礦物與改性土壤吸附固定污染物

目前,由于污水的灌溉、農藥的大量使用等,使得土壤中的各種污染物質含量嚴重超標,在水體的循環(huán)作用下,污染物質也可能進入并污染地下水體,所以應盡量固定或降解污染物減少其擴散,從而降低其毒性。粘土礦物是一些以鎂、鋁為主的含水硅酸鹽礦物,絕大部分具有層狀的結構,在其層狀間可發(fā)生同晶替代作用,即晶體結構中原本的離子或原子占有的位置被其他性質類似、大小相近的離子或原子所替代,并不會對晶體結構型產生影響或影響很小的一種現(xiàn)象。如硅氧四面體中的Si4+被Al3+替代使得晶胞表面帶負電,所以對金屬陽離子有較強的吸附能力,進而將其固定下來,可降低污染程度和污染物的毒性。且土壤顆粒較小、比表面積大、所以表面能大,吸附能力較強。粘土礦物被廣泛的應用于對電鍍、造紙及含有大量的有機物等廢水的治理中。雖然土壤的吸附能力較強,但在一定條件下對污染物的吸附固定量是一定的,若污染物濃度較高時,這種吸附對污染物的去除率較小,不能達到較理想的效果,因此很多研究人員設法對土壤進行的改性處理。高斌[1]等人用十六烷基三甲基銨離子(HDTMA)和四甲基銨離子(TMA)分別對天然黑土進行改性處理,用比原土的陽離子交換容量(CEC)高出一倍的HDTMA和TMA對其處理,實驗表明改性后的吸附油量分別是原來的2.9倍和2.6倍;分別用比原來天然紅土的CEC高一倍的HDTMA和TMA對原土改性處理,實驗表明改性后的吸附油量分別為原來的18倍和17倍。張曉昆[2]等人用非離子表面活性劑烷基酚與環(huán)氧乙烷縮合物(TX-7)改性蒙脫土,實驗表明改性后對1,2-二氯乙烷的吸附量為5.62mg·g-1,是天然蒙脫土吸附量0.42mg·g-1的13.38倍,經過多次實驗研究張曉昆等人提出采用烷基酚與環(huán)氧乙烷縮合物和土壤制備生成的有機粘土進行環(huán)境污染修復在我國具有廣闊的應用前景。

3、土壤高級氧化體系降解污染物

3.1 土壤Fenton體系。土壤Fenton體系表現(xiàn)出的強氧化性的機理是在酸性條件下Fe2+催化H2O2生成氫氧自由基(·OH),并引發(fā)產生更多的其它自由基?!H的氧化電位目前在眾多的物質中僅次于氟,可達2.80V,其次也具有很高的親電性,可將絕大多數(shù)有機物較徹底的氧化。雖Fenton氧化技術的氧化能力強可氧化降解大多數(shù)物質但也有些不足之處,比如使用費用較高,且在Fe2+達到一定的濃度后,H2O2的利用率和有機物的去除率變低,反應速率變緩等,基于此便出現(xiàn)了一些聯(lián)用的技術,其中有光—Fenton技術、電—Fenton技術、微波—Fenton技術等等。雷樂成[3]用光—Fenton技術處理紡織印染PVA廢水,該反應體系中在較低濃度的Fe2+存在下并施以紫外光輻射,該反應30分鐘后對廢水中的溶解性有機碳的去除率達90%以上。Kurt U[4]等人研究表明電-Fenton技術氧化制革廢水時,硫化物可在10分鐘內被完全去除。趙進才[5]等人通過對比研究黏土礦物結構性鐵和交換性鐵在光催化下降解有毒有機污染物,實驗結果表明土壤中含有較多結構性鐵,利用這些礦物成分構建的Fenton氧化體系可以有效地降解陽離子染料。但均相Fenton體系和光-Fenton體系會產生處理成本較高的含鐵污泥,不但造成了二次污染,而且使H2O2的利用率降低,因此限制了均相Fenton體系的應用前景。所以有研究人員提出用鐵和鐵離子的復合物載體,制備疏水性的異相Fenton催化劑,而且已經取得了較好的實驗成果。使用天然的土壤礦物成分作為異相Fenton試劑,以陽光為其光源,更能顯示其綠色環(huán)保的優(yōu)勢,也會有很好的應用前景。

3.2 天然半導體礦物的光催化氧化。土壤中的半導體礦物,在光的激發(fā)下,其介帶中電子發(fā)生躍遷,產生電子-空穴對,進而對污染物可起到氧化還原作用。天然的半導體礦物成分復雜,且結構易變,對其進行改性處理使之具有強的光催化活性,進而促進了對其光催化來治理污染物體系的發(fā)展。王程[6]等對天然紅石精礦施以光照,用來處理含偶氮染料的廢水,4小時后廢水的退色率達到了88%,表現(xiàn)出較強的可光催化性能。楊欣[7]等人用天然錳鉀礦處理印染廢水,發(fā)現(xiàn)Mn4+被還原為Mn2+,說明該過程中在礦物界面上發(fā)生的氧化還原反應。很多研究人員對天然半導體礦物的光催化氧化的研究,可提高資源的利用多樣化,使得光催化劑用于污染治理方向有良好的前景。

4、土壤高級氧化降解污染物的機理研究

土壤的組分極其復雜,可發(fā)生多種化學反應,且影響反應的因素也較多,所以要在自然界中研究土壤對污染物的固定較難實現(xiàn),因此,研究人員將過篩的土壤和水混合制成泥漿涂在玻璃板上在實驗室模擬研究。張文兵[8]用O3和H2O2處理久效磷,氧化機理是間接的借助體系中的氫氧自由基引發(fā)自由基鏈式反應,因此反應速度很快。該實驗結果表明反應20分鐘對其去除率達95%。土壤高級氧化具有很強的氧化能力,并對污染物的分解較徹底,且在含污染物濃度較高的情況下也具有較好的處理能力。

5、結束語

通過研究土壤對環(huán)境污染物的治理,因其具有費用低廉且不產生二次污染等的優(yōu)勢,因此近年來該方向的研究有了很大的進展。土壤和改性土壤可以吸附降解污染物,降低其毒性,從而達到治污的目的,但依然有幾個問題:(1)污染物吸附后的土壤處理及處理過程可能帶來的二次污染;(2)由于土壤對陽離子的吸附效果高于陰離子,故該方法的應用具有局限性;(3)土壤對部分污染物吸附和解吸過程不可逆,或者解吸過程很慢。然而用改性的方法增強土壤對污染物的吸附固定能力,在吸附有機物和非金屬污染方面具有良好的前景。對天然半導體礦物的光催化氧化的研究可以提高對資源的利用多樣化也可促進光催化劑工業(yè)化的應用。對土壤高級氧化降解污染物的機理研究,使人們能夠了解土壤中各種高級氧化體系的反應機理和影響條件,幫助研究者找到更好的控制高級氧化體系環(huán)境。利用天然材料來治理污染不但降低了治污成本也在一定程度上保護了環(huán)境。

【參考文獻】

[1]高斌,等.改性土壤對模擬含油廢水中油的吸附[J].環(huán)境科學,2000,21(3):89-92.

[2]張曉昆,等.非離子表面活性劑改性土壤的制備及其水中有機污染物的吸附研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2004,23(2):400-403.

[3]雷樂成,等.光助 Fenton 氧化處理 PVA 退漿廢水的研究[J].環(huán)境科學學報,2000,20(2):139-144.

[4] Kurt U,Aprydin O,Gonulu M T. Reduction of COD in wastewater fromanorga ized industrial region by Electro-Fentonprocess[J].J HazardMater,2007,143(1-2) : 33140.

[5]趙進才,等.Applied Catalysis B: Environmental[J],2007,77:355.

[6]王程,等.含偶氮染料工業(yè)廢水處理的實驗[J].西安科技大學學報,2007,27(4):590-593.

[7]楊欣,等.天然錳鉀礦處理印染廢水實驗研究[J].巖石礦物學雜志,2003,22(4):269-273.

[8]張文兵,等.過氧化氫高級氧化技術去除水中有機污染物[J].中國給水排水,2002,18(3):89-92.

[9]梅朋森,等.土壤在環(huán)境污染治理中的研究與應用[J].分析科學學報,2008,24(6):718-722.

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