纳米羟基磷灰石在污染土壤治理的应用

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摘要：为进一步解决当前重金属对土壤严重污染不可逆转且高积累性的问题，以黄棕土壤为例，在对其基础理化性质分析的基础上，通过实验方式研究了微米级羟基磷灰石、纳米级羟基磷灰石以及骨粉对土壤中重金属有效态含量的减少、对土壤中重金属残渣态含量的增加两个层面反应不同含磷材料对土壤中重金属的治理效果，对指导今后土壤重金属治理提供扎实的理论基础。

关键词：羟基磷灰石、骨粉、摩尔比、重金属治理、残渣态

重金属污染为当前全球范围内被格外关注的问题之一，尤其是复合重金属的污染问题尤其需要被关注。重金属对土壤的污染越发严重，其主要表现为高积累性和不可逆转性。因此，针对土壤重金属的污染单纯地通过控制污染源无法实现对土壤重金属的彻底根除[1]。目前，含磷材料已经用于对土壤中重金属的治理；为进一步提升对土壤中重金属的根治，考虑到纳米材料具有高比表面积和反应活性、吸附特定等优势，本文开展纳米材料与传统羟基磷灰石联合应用于对土壤中重金属治理研究。

1黄棕土壤重金属治理研究

一般情况下，重金属作为过渡元素其特点主要表现为多价态、强活性的特性；由于不同区域的土壤在水分、温度、pH等方面的指标存在较大的差异，导致重金属在土壤中存在的形态多样化。其中，土壤中的水溶性重金属可作为植物的吸收物质，可对农业生产具有一定的指导意义；土壤中的残渣态重金属的活性和毒性较小[2]。总的来讲，可将土壤中的重金属形态分为水溶性、交换性、碳酸盐结合性、铁锰氧化物结合性以及有机物结合性6种形态。本文所研究的黄棕土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的含量超标，本节将通过实验的方式对分别采用骨粉、微米级羟基磷灰石和纳米级羟基磷灰石3种试剂对土壤中重金属的治疗效果进行分析[3]。基于《土壤农业化学分析方法》对所研究土壤的理化性质进行分析，并采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对其中各元素的含量进行测定，测定结果如表1所示。如表1所示，黄棕土壤中铅、锌、镉和铜重金属已经远大于标准值；实地调研可知，由于土壤重金属的污染已经对当地的生态系统造成破坏。除表1的测试结果外，该土壤的pH值为7.16，其中的阳离子交换量为0.212mol/kg。

2实验设计及方法

将样本根据实验要求进行分类，分别对不同种类、不同质量材料对土壤中重金属的治理效果进行对比。以纳米羟基磷灰石为例，除了对照组外，按照磷与铅摩尔比为0.5、1、2.0和4.0在样本添加对应的含磷材料，并混合均匀[4]。对上述处理的实验材料中加入矢量的去离子水，并将其在25℃的环境下培养60d。为分析得出不同含磷材料对土壤中重金属的治理效果，根据土壤中的pH值和缓冲量制备特定的提取液缓冲液。结合本节所研究土壤的特点制备提取液的流程如下：将5.7mL的冰醋酸置于1L的蒸馏水中，将其pH值控制在2.88±0.05之间；本实验所采用的缓冲液采用浓度分别为1mol/L的硝酸和氢氧化钠进行混合，并按照与样本质量为20∶1的量加入缓冲液[5]。

3实验结果分析

在上述实验设计和方法研究的基础上，对不同含磷材料对土壤中重金属的有效态含量和重金属的形态变化进行对比。具体分析如下：

3.1不同含磷材料对应土壤中重金属的有效含量对比

通过对多组数据进行分析，得出不同含磷材料对应土壤中重金属的有效含量对比，以对土壤中Cu的有效含量为例，实验结果如表2所示如表2所示，对于同一种含磷材料而言，随着摩尔比的增加，对土壤中重金属铜的减少量不断增加，区别在于减少幅度存在一定的差异。而当含磷材料的摩尔比为0.5时，对应采用骨粉材料对土壤中铜的治理效果最好；当含磷材料的摩尔比为1时，3种含磷材料对土壤中铜的治理效果相当；当含磷材料的摩尔比大于1时，对应采用纳米级羟基磷灰石对土壤中铜的治理效果最好。以对土壤中Cd的有效含量为例，实验结果如表3所示。如表3所示，对于同一种含磷材料而言，随着含磷材料用量的增加，土壤中镉的有效含量不断减少；从整体上讲，纳米级羟基磷灰石对土壤中镉的治理效果越好，其次为骨粉和微米级羟基磷灰石。综合分析可知，含磷材料可以有效降低土壤中的铜、锌、镉以及铅等重金属；而且，随着含磷材料用量的增加，土壤中重金属的有效含量不断减少。纳米级含磷材料对土壤中重金属的治理效果越好；而且，纳米级含磷材料对施加量更加敏感[6]。对于不同重金属的治理效果而言，含磷材料对铅的治理效果最强，其次为铜、镉和锌。

3.2不同含磷材料对应土壤中重金属形态的对比

在25℃的环境下培养60d后，对土壤中重金属的残渣态的含量进行对比。以土壤中铅和铜的残渣态为例，实验结果如表4、表5所示。如表4、表5所示，对于同一种含磷材料而言，随着用量的增加，对应土壤中铅和铜的残渣态不断增加；对于同一用量的含磷材料而言，纳米级羟基磷灰石对应土壤中铅的残渣态最多，即说明对重金属的治理效果越好。综上所述，纳米级羟基磷灰石相比于微米级羟基磷灰石和骨粉对应土壤中重金属的治理效果越好；而且，当摩尔比为4时对应土壤中重金属的治理、修复效果越好，其中对铅的治理效果越好，其次为铜和镉，最后为锌[7]。

4结语

近年来，随着化工工业的发生，在前期缺乏对环境的保护，导致土壤遭到重金属的严重污染。实践表明，单纯的抑制污染源无法实现对重金属污染的根治。本文重点探讨了土壤中重金属的治理效果。其中，纳米级羟基磷灰石相比于微米级羟基磷灰石和骨粉对应土壤中重金属的治理效果越好；而且，当摩尔比为4时对应土壤中重金属的治理、修复效果越好，其中对铅的治理效果越好，其次为铜和镉，最后为锌。

参考文献

[1]靳明明，刘若钰，项徽清，等.激光对羟基磷酸铜的还原机理研究[J].激光技术，2020，44（2）：8.

[2]郭雨晴，张菁，李颂.明胶复合羟基磷灰石支架材料促进大鼠骨髓干细胞增殖与分化[J].安徽医科大学学报，2020，55（2）：7.

[3]仇旭童，饶晨煜，李婷，等.骨组织工程中纳米羟基磷灰石的仿生合成研究进展[J].四川大学学报（医学版），2021，52（5）：740.

[4]李寅明，李春萍，战佳宇，等.污染土壤重金属稳定化复配固化剂研发与验证[J].环境科学与技术，2020（6）：15.

[5]郝春莉，李剑，黄志勇.基于同位素标记和连续提取法研究磷基材料对土壤铅的钝化行为[J].中国土壤与肥料，2021（4）：283-288.

[6]李梦迪，王波，王哲慧，等.基于环三磷腈磷氮阻燃剂的合成及其在聚氨酯泡沫的应用[J].化工学报，2020，71（4）：10.

[7]吕宏虹，张慧，刘颖，等.MnOx/生物炭复合材料对土壤重金属的固化效果及其机理研究[J].环境化学，2021（9）：774-790.

作者：马涛 单位：太原学院