复合凹凸棒土钝化剂在农田重金属污染土壤中的应用研究

朱月琪 李国健 曾红平 解 荣

(广东环境保护工程职业学院，广东佛山，528216)

重金属污染土壤修复技术中，化学法是其中一种重要方法。目前，化学方法中钝化技术应用广泛，是指将钝化试剂加入重金属污染土壤中，重金属离子形成氢氧化物沉淀，其迁移性降低，从而生物利用率大大降低[1]。该技术投入相对较低，操作简单，对于大面积中、轻度重金属污染农田土壤修复具有较大的优越性[2]。

凹凸棒土又称坡缕石(Palygorskite)或坡缕缟石，海泡石族，是一种含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，呈链层状结构，结构式为Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O[3]。凹凸棒石矿物在世界各地分布广泛，我国有14个省区发现凹凸棒石黏土矿点。由于来源广泛、价格低廉，并具有化学惰性、无污染等特点，凹凸棒土已被广泛地应用于造纸、建材工农业各个领域。在环境保护方面，凹凸棒土作为废水脱色剂的应用研究是国内外研究热点[4]，其在土壤修复领域的研究较少。

本文以热改性的凹凸棒土作为基质材料，配制出复合凹凸棒土钝化剂，并对其钝化效果、最佳施用量及作物生长促进作用进行试验和分析。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

凹凸棒土煅烧采用箱式电阻炉(SX2-5-12N，常州国旺)；土壤消解采用恒温电热板(DB-3B型，常州朗博)；重金属检测采用ICP-OES(715型，美国安捷伦)；pH值检测采用pH计(PHSJ-4F型，雷磁)。

1.2 复合凹凸棒土钝化剂的制备

凹凸棒石产自安徽，经风干、破碎后过200目筛。去除大颗粒物，得到均匀细小颗粒的凹凸棒土。凹凸棒土的物理化学性质如表1所示。

表1 凹凸棒土理化性质表

将凹凸棒土放入马弗炉中，以300℃ 煅烧2小时[5]，其晶体结构中不同状态的水分得以去除，结构变得疏松、多孔，比表面积增大，从而增强了吸附力。在高温改性后凹凸棒土中分别添加硫酸钙、磷酸二氢钾。硫化物可以电离出硫离子，易于和重金属离子生成溶度积很小的沉淀物[6]。而含磷物质主要是以形成金属磷酸盐沉淀，辅以吸附、离子交换、表面配位及生成非晶体物质等作用，实现对金属离子的固定[7]。三者按100:5:5的质量比添加，混合均匀后得到复合凹凸棒钝化剂。

1.3 重金属污染土壤

重金属污染土壤取自广东省韶关市翁源县铁龙林场农田表层(0—20cm)。由于周边分布有矿产加工、金属冶炼和水泥制造等企业，农田受到一定程度的重金属污染。采集的土壤经过自然风干后，去除树枝、杂草等杂物，破碎后过2mm筛待用。

土壤基本理化性质见表2。土壤重金属含量参照Hua等[8]采用“王水-高氯酸电热板法”消解法测定。

表2 供试土壤理化性质表

1.4 实验方法

1.4.1 重金属污染土壤钝化试验

在花盆中放入3kg供试土壤，并以常见叶菜小白菜作为种植对象，置于温室大棚并进行常规田间管理。试验设置3个试验组：①空白试验，不添加任何物质；②添加10g氧化钙；③添加10g复合凹凸棒土钝化剂。每个试验组设3个平行试验。在植物生长100天后，采集土壤样品，分析其有效态重金属As、Cd、Pb的含量；收集植物茎叶，分析其中重金属As、Cd、Pb的含量及变化。

土壤中有效态重金属采用DTPA浸提测定[9]。植物样品重金属含量参照Mohtadi等[10]采用“硝酸-高氯酸体系湿法”消解法测定。

1.4.2 作物生长促进试验

在花盆中放入3kg供试土壤，并种植小白菜，置于温室大棚并进行常规田间管理。试验设置2个试验组：①空白试验；②添加最佳施用量的复合凹凸棒土钝化剂。每个试验组设3个平行试验。按时记录植株的生长情况。

2 结果与分析

2.1 重金属污染土壤钝化效果分析

如图1所示，添加CaO的重金属污染土壤，其总Cd、Pb有所降低，但无机As的变化不大。这是因为CaO的钝化作用的机理是提高土壤pH值，并生成重金属的氢氧化物沉淀。而重金属砷基本以含氧阴离子形态存在，该法对重金属砷无效。

图1 土壤有效态重金属含量变化

而添加复合钝化剂的土壤中有效态重金属As、Cd、Pb的含量均降低，钝化率分别达到53.1%、70.0%和60.0%。其中，Cd、Pb的钝化率比施用CaO的情况更高，其钝化效果更明显。这是因为相对CaO较单一的钝化机制来说，复合钝化剂是通过吸附、离子交换、共沉淀等多元机制实现钝化作用，不仅多种重金属污染的土壤均有效，且钝化效果更好。

施用CaO和复合钝化剂对叶菜重金属含量的影响如图2所示。从图2可以看出，CaO可在一定程度上减少叶菜对土壤中重金属Cd、Pb的吸收。而复合钝化剂可更加高效地实现同时降低叶菜对重金属As、Cd、Pb的吸收和积累，降低率(与空白试验相比)分别达到49.1%、53.3%、47.2%。这与上组试验中土壤有效态重金属镉、铅、砷的含量变化吻合。

图2 小白菜茎叶重金属含量变化

2.2 作物生长促进试验

植株的生长情况，如图3所示。经按0.5%的质量比施用复合凹凸棒土钝化剂后的叶菜长势明显。56d时，施用复合钝化剂后的小白菜生物量比空白试验的多13%。这是因为凹凸棒土具有阳离子交换性，有利于土壤保肥供肥；有较好的吸水性和黏结性，有利于植物扎根和生长发育；矿质营养元素含量高，可以增加土壤的肥力[11]。另外，复合钝化剂中添入的硫和磷也能提供作物生长的微量元素。

图3 小白菜生长情况

3 结论

(1)采用高温改性后凹凸棒土作为基质材料，按100:5:5的质量比添加具有重金属钝化作用的硫酸钙和磷酸二氢钾，复配得到复合凹凸棒土钝化剂。

(2)以重金属污染农田表层土作为供试土壤，以小白菜作为种植对象，利用盆栽试验，以土壤中的重金属含量和植物茎叶的重金属累积量来判断复合凹凸棒土钝化剂的钝化效果。结果显示：复合钝化剂对供试土壤中的As、Cd、Pb均表现出良好的钝化效果，钝化率分别达到53.1%、70.0%和60.0%；植物茎叶部分的重金属累积量比不添加复合钝化剂时减少49.1%、53.3%、47.2%。

(3)复合凹凸棒土钝化剂作为环境友好型的添加剂，对作物生产有一定的促进作用。施用量为0.5%(质量比)时，小白菜的生物量增长13%。