1、土壤重金屬化學行為土壤重金屬化學行為與污染治理與污染治理胡星明胡星明合肥師范學院化學化工系合肥師范學院化學化工系問題引入問題引入 全球性環境問題全全 球球 氣氣 候候 變變 化化 在過去的一個世紀里，全球表面平均溫度上升了0.3至0.6攝氏度，海平面上升了10至25厘米。目前地球大氣中的二氧化碳濃度已由工業革命（1750年）之前的280ppm增加了10%。如果世界能源消費的格局不發生根本性變化，到21世紀中葉，大氣中的二氧化碳濃度將達到560ppm，全球平均溫度可能上升1.5至4攝氏度，將給全球人類帶來災難性后果。臭臭 氧氧 層層 破破 壞壞 和和 損損 耗耗自自19851985年南極上空出現

2、臭氧層空洞以來，地球上年南極上空出現臭氧層空洞以來，地球上空臭氧層被損耗的現象一直有增無減。到空臭氧層被損耗的現象一直有增無減。到19941994年，年，南極上空的臭氧層破壞面積已達南極上空的臭氧層破壞面積已達24002400萬平方公里。萬平方公里。現在在美國、加拿大、西歐、前蘇聯、中國、日現在在美國、加拿大、西歐、前蘇聯、中國、日本等國的上空，臭氧層都開始變薄。全世界向大本等國的上空，臭氧層都開始變薄。全世界向大氣排放的消耗臭氧層物質（氣排放的消耗臭氧層物質（ODSODS）已達到了）已達到了20002000萬噸。由于萬噸。由于ODSODS相當穩定，可在大氣層中存在相當穩定，可在大氣層中存在5

3、0-50-100100年，會不斷與臭氧發生反應，即使全世界完全年，會不斷與臭氧發生反應，即使全世界完全停止排放停止排放ODSODS，也要再過，也要再過2020年，人類才能看到臭年，人類才能看到臭氧層恢復的跡象。氧層恢復的跡象。19791992年南極臭氧空洞圖年南極臭氧空洞圖19791980198119821983198419901989198819851986198719921991臭氧層對地球的保護示意圖臭氧層對地球的保護示意圖臭氧層主要吸收紫外線保護地球生物，同時也是溫室氣體，吸收熱量，維持地球熱量的動態平衡酸雨污染酸雨污染“酸雨” 泛指酸性物質以濕沉降（雨、雪）或干沉降（酸性顆粒物）的形

4、式從大氣轉移到地面上。酸雨中絕大部分是硫酸和硝酸，主要來源于人類廣泛使用化石燃料，向大氣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壞建筑，更使使全球酸雨破壞建筑，更使使全球30%30%的林區因酸雨的影響而退化。的林區因酸雨的影響而退化。有些湖泊因酸化改變水生生態，有些湖泊因酸化改變水生生態，導致魚類滅絕。土壤酸化會使導致魚類滅絕。土壤酸化會使土壤貧瘠化，導致陸地生態系土壤貧瘠化，導致陸地生態系統的退化。統的退化。酸雨污染的危害水水 資資 源源 危危 機機目前世界上約有目前世界上約有20個國家嚴重缺個國家嚴重缺水，全球有水，全球有10億億多人口無法得到多人口無法得

5、到安全的飲用水。安全的飲用水。森森 林林 植植 被被 破破 壞壞地球森林面積約為地球森林面積約為30-60億公頃，億公頃，約占陸地面積的約占陸地面積的20%-40%，但在，但在工業化過程中，森林大面積被毀工業化過程中，森林大面積被毀引起了多種環境后果，主要有：引起了多種環境后果，主要有：降雨分布變化，二氧化碳排放量降雨分布變化，二氧化碳排放量增加，氣候異常，水土流失，洪增加，氣候異常，水土流失，洪澇頻發，生物多樣性減少等。澇頻發，生物多樣性減少等。海海 洋洋 資資 源源 破破 壞壞 和和 污污 染染近幾十年來，全球范圍內的海近幾十年來，全球范圍內的海洋生產力和海洋環境質量出現洋生產力和海洋環境

6、質量出現明顯退化。明顯退化。2/3以上的海洋魚以上的海洋魚類已被最大限度或過度捕撈，類已被最大限度或過度捕撈，已經滅絕或瀕臨滅絕，另有已經滅絕或瀕臨滅絕，另有44%的魚類的捕撈已達到生物的魚類的捕撈已達到生物極限。而另一方面，人類活動極限。而另一方面，人類活動產生的大部分廢物和污染物最產生的大部分廢物和污染物最終都進入了海洋。終都進入了海洋。難難 以以 處處 理理 的的 有有 毒毒 化化 學學 廢廢 物物現在全球每年產生的有毒有害化學廢物現在全球每年產生的有毒有害化學廢物3億到億到4億噸，其中對生態億噸，其中對生態危害最大、擴散最廣的是持久性有機污染物（危害最大、擴散最廣的是持久性有機污染物（

7、POPs），如多氯），如多氯聯苯和滴滴涕。使男性精子數目銳減，男性不育癥增加。男嬰出聯苯和滴滴涕。使男性精子數目銳減，男性不育癥增加。男嬰出生率下降。動物雌性化現象嚴重。以及畸形個體增加。生率下降。動物雌性化現象嚴重。以及畸形個體增加。生物多樣性銳減 地球上約有地球上約有1400萬種物萬種物種，但當前地球上的生物種，但當前地球上的生物多樣性損失的速度比歷史多樣性損失的速度比歷史上任何時候都快，鳥類和上任何時候都快，鳥類和哺乳動物現在的滅絕速度哺乳動物現在的滅絕速度是它們在未受干擾的自然是它們在未受干擾的自然界中的界中的100倍至倍至1000倍。倍。民以食為天民以食為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為天民以食為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機物污染土壤有機物污染土壤無機物污染（重金屬）土壤無機物污染（重金屬）PbCdCrHgAs 危害危害 (1)影響植物根和葉的發育影響植物根和葉的發育 (2)破壞人體神經系統、免疫系統、骨骼系破壞人體神經系統、免疫系統、骨骼系統等統等植物病例植物病例人類病例人類病例二、重金屬危害和污染特點二、重金屬危害和污染特點土壤重金屬污染特點土壤重金屬污染特點 (1)重金屬不能被微生物降解，是環境長期、潛在的污重金屬不能被微生物降解，是環境長期、潛在的污染物；染物；(2)因土壤膠體和顆

9、粒物的吸附作用，長期存在于土壤因土壤膠體和顆粒物的吸附作用，長期存在于土壤中，濃度多成垂直遞減分布；中，濃度多成垂直遞減分布； (3)與土壤中的配位體與土壤中的配位體(氯離子、硫酸離子、氫氧離子、氯離子、硫酸離子、氫氧離子、腐蝕質等腐蝕質等)作用，生成絡合物或螯合物，導致重金屬作用，生成絡合物或螯合物，導致重金屬在土壤中有更大的溶解度和遷移活性；在土壤中有更大的溶解度和遷移活性；(4)土壤重金屬可以通過食物鏈被生物富集，產生生物土壤重金屬可以通過食物鏈被生物富集，產生生物放大作用；放大作用；(5)重金屬的形態不同，其活性與毒性不同，土壤重金屬的形態不同，其活性與毒性不同，土壤pH、Eh、顆粒物

10、以及有機質含量等條件深刻影響它在土、顆粒物以及有機質含量等條件深刻影響它在土壤中的遷移和轉化；壤中的遷移和轉化；三、土壤重金屬污染來源三、土壤重金屬污染來源自然來源自然來源 （1）成土母質的）成土母質的風化過程風化過程對土壤重金屬本底含量的影響對土壤重金屬本底含量的影響 （2）風力和水力搬運風力和水力搬運的自然物理和化學遷移過程的自然物理和化學遷移過程人為干擾輸入人為干擾輸入 （1）不同）不同工礦企業工礦企業工業生產對土壤重金屬的額外輸入工業生產對土壤重金屬的額外輸入 （2）農業生產農業生產活動影響下的土壤重金屬輸入活動影響下的土壤重金屬輸入 （3）交通運輸交通運輸對土壤重金屬污染的影響對土壤

11、重金屬污染的影響 四、土壤重金屬環境化學行為四、土壤重金屬環境化學行為遷移過程遷移過程 （1）機械遷移機械遷移 （2）物理物理化學遷移化學遷移(溶解溶解-沉淀；氧化沉淀；氧化-還原等還原等) （3）生物遷移生物遷移 轉化過程轉化過程 （1）物理）物理化學轉化化學轉化 （2）生物轉化）生物轉化 五、影響土壤重金屬環境化學行為的因素五、影響土壤重金屬環境化學行為的因素土壤顆粒物粒徑土壤顆粒物粒徑土壤有機質含量土壤有機質含量土壤土壤PH值和酸堿度值和酸堿度土壤生物和植被土壤生物和植被 六、土壤重金屬污染的來源定量解析六、土壤重金屬污染的來源定量解析 重金屬的形態分布重金屬的形態分布 重金屬的形態：可

12、交換態、碳酸鹽態、鐵錳氧化物結合重金屬的形態：可交換態、碳酸鹽態、鐵錳氧化物結合態、有機硫化物態和殘渣態。態、有機硫化物態和殘渣態。元素剖面分布元素剖面分布 由于土壤對重金屬的固定，外源重金屬大都富集在土由于土壤對重金屬的固定，外源重金屬大都富集在土壤表層而比較難向下遷移壤表層而比較難向下遷移 同位素示蹤研究同位素示蹤研究 各種元素的同位素成分來區分各種地質體的物質來源各種元素的同位素成分來區分各種地質體的物質來源 空間分析空間分析 應用應用GIS技術分析異常空間分布與污染源的關系有可技術分析異常空間分布與污染源的關系有可能直觀地判斷出異常的成因能直觀地判斷出異常的成因 七、土壤重金屬污染治理

13、七、土壤重金屬污染治理土壤重金屬污染物的土壤重金屬污染物的檢測分析檢測分析土壤重金屬的土壤重金屬的治理方法治理方法 土壤重金屬污染的治理方法土壤重金屬污染的治理方法 農業生態修復農業生態修復 ： 主要換土、客土和深耕翻土等（主要換土、客土和深耕翻土等（圖圖） 植物修復技術（植物修復技術（圖圖） (1)植物提取和富集（植物提取和富集（圖圖） (2)植物揮發（植物揮發（圖圖） (3)植物穩定（植物穩定（圖圖） 常見修復植物常見修復植物 物理化學修復物理化學修復 a.電動修復電動修復 b.電熱修復電熱修復 c.土壤淋溶土壤淋溶 化學修復化學修復 八、土壤重金屬修復展望八、土壤重金屬修復展望超累積植物

14、篩選與培育超累積植物篩選與培育 分子生物學和基因工程技術的應分子生物學和基因工程技術的應用用 生物修復綜合技術的研究生物修復綜合技術的研究 九：土壤重金屬污染治理研究項目九：土壤重金屬污染治理研究項目 2010年高等學校省級優秀青年人才基金項年高等學校省級優秀青年人才基金項目目無機無機-有機體協同原位化學固定修復有機體協同原位化學固定修復土壤重金屬污染（基金號：土壤重金屬污染（基金號：2010SQRL147） 2010年高校省級自然科學項目年高校省級自然科學項目高效土壤高效土壤重金屬修復與重金屬毒理和生物有效性研究重金屬修復與重金屬毒理和生物有效性研究（基金號：（基金號：KJ2010B437）

15、Hg中毒慢性As中毒Pb中毒 電子產品造成的鉛污染，已電子產品造成的鉛污染，已經成為鉛污染的主要途徑之一經成為鉛污染的主要途徑之一Cd中毒Cr中毒修復土壤重金屬污染的植物修復土壤重金屬污染的植物 小花南芥小花南芥：修復：修復Pb、Zn復合污染復合污染 蜈蚣草蜈蚣草：修復修復As污染污染 東南景天東南景天：修復修復Cd、Pb、Zn、Cu復合復合污染污染 龍葵龍葵：修復修復Cd污染污染 油菜油菜:修復修復Cd污染污染 在電場的作用下，通過電流的作用，土壤中的重金屬離在電場的作用下，通過電流的作用，土壤中的重金屬離子子(如如Pb、Cd、Cr、Zn等等)和無機離子以電透滲和電遷移和無機離子以電透滲和電

16、遷移的方式向電極運輸，然后進行集中收集處理。的方式向電極運輸，然后進行集中收集處理。 利用高頻電壓產生電磁波，產生熱能，對土壤進行加熱，使利用高頻電壓產生電磁波，產生熱能，對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內解吸出來，加快一些易揮發性重金屬從污染物從土壤顆粒內解吸出來，加快一些易揮發性重金屬從土壤中分離，從而達到修復的目的。該技術主要修復被土壤中分離，從而達到修復的目的。該技術主要修復被Hg和和Se等重金屬污染的土壤。等重金屬污染的土壤。 土壤淋洗：土壤淋洗： 利用淋洗液把土壤固相中的重金屬利用淋洗液把土壤固相中的重金屬轉移到土壤液相中去，再把富含重金屬轉移到土壤液相中去，再把富含重金屬的廢水

17、進一步回收處理的土壤修復方法。的廢水進一步回收處理的土壤修復方法。 常采用柱淋洗或堆積淋洗，該方法常采用柱淋洗或堆積淋洗，該方法的技術關鍵是尋找一種既能提取各種形的技術關鍵是尋找一種既能提取各種形態的重金屬，又不破壞土壤結構的淋洗態的重金屬，又不破壞土壤結構的淋洗液。液。 目前主要使用的淋洗劑為檸檬酸、目前主要使用的淋洗劑為檸檬酸、蘋果酸、乙酸和蘋果酸、乙酸和EDTAEDTA。 化學修復：化學修復： 向土壤投入改良劑，通過對重金屬的向土壤投入改良劑，通過對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，以降吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，以降低重金屬的生物有效性。低重金屬的生物有效性。 該方法在土壤原

18、位上進行的，簡單易該方法在土壤原位上進行的，簡單易行。但金屬元素仍保留在土壤中，一旦重行。但金屬元素仍保留在土壤中，一旦重金屬在土壤中的形態改變，會再次危害生金屬在土壤中的形態改變，會再次危害生物，并不是一種永久的修復措施。物，并不是一種永久的修復措施。 常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質，不同改良劑對重金屬的作用機理不同。質，不同改良劑對重金屬的作用機理不同。 植物修復植物修復 植物富集植物富集A A：采集后壓制植物的一般照片（有黃斑）：采集后壓制植物的一般照片（有黃斑）B B：X-X-射線放射自顯影照片（能看出金屬元素所在的部位）射線放射自顯影照片（能看出金屬元素所在的部位）C C：計算機重構的放射：計算機重構的放射富集重金屬植物利用富集重金屬植物利用植物揮發植物揮發植物穩定土壤重金屬植物穩定土壤重金屬 農業生態修復農業生態修復 土壤重金屬污染物的檢測分析土壤重金屬污染物的檢測分析 檢測分析步驟檢測分析步驟采樣采樣預處理預處理消解和提取消解和提取儀器分析儀器分析分析結果的質量保證分析結果的質量保證 土壤：發育于地球陸土壤：發育于地球陸地表面具有生物活性地表面具有生物活性和孔隙結構的介質，和孔隙結構的介質，含固液氣三相系統。含固液氣三相系