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活性氧化镁稳定化修复铅污染土的时间效应

发表时间:2021-07-27 22:13

壤铅污染在世界范围内广泛存在。铅对人体健康、特别是儿童智力发育具有显著危害。固化/稳定化技术是目前针对铅污染土壤应用最广的修复技术,但固化/稳定化技术的最大挑战是如何确保修复的长期有效性;同时,短期内修复的起效时间也值得关注。

活性氧化镁是目前最具潜力的固化/稳定化修复材料之一。以活性氧化镁本身作为胶凝剂,或者以活性氧化镁为基础开发的活性氧化镁系绿色水泥,都在土壤重金属稳定化修复中展现出了优秀的修复效果。与传统的固化/稳定化修复材料波特兰水泥(生产温度达1450℃)相比,活性氧化镁的生产过程能耗更低(通常500-800℃);另外,活性氧化镁来源广泛,除了可以从菱镁矿煅烧获取,还能从海水、卤水中提炼获得;活性氧化镁的耐久性也优于波特兰水泥。

活性氧化镁的活性受它的比表面积和结晶度控制,对于煅烧法制备得到的活性氧化镁,其比表面积和结晶度又受煅烧温度的控制。因此活性氧化镁的活性与煅烧温度存在显著相关性(图2)。具体而言,煅烧温度越低,活性越高。活性氧化镁的活性决定了其与土壤重金属的反应速率(即活性越高反应越快),从而从宏观尺度决定了其稳定化修复土壤重金属的时间效应。因此,本研究提出的假设是:1)在短期尺度上(如0-49天),活性氧化镁修复铅污染土的效果受其活性控制,活性越高的活性氧化镁修复见效的越快,2)在长期尺度上(如0-100年),活性氧化镁的修复效果也受其活性控制,活性越高的活性氧化镁,其长期有效性越差,因为它更容易与酸雨反应而失效,而活性较低的活性氧化镁,虽然短期内起效慢,但它更易抵抗酸雨的侵蚀,从而长期有效性更好。

基于以上假设,本研究针对一铅污染工业场地土壤(4280mg/kg),使用四种同一原料菱镁矿制备但活性不同的活性氧化镁进行稳定化修复。研究发现,四种活性氧化镁都能在1天时间内将土壤铅毒性浸出浓度从超标1.8倍降低到标准以下,完成修复目标(图3)。在修复后1-49天内,修复保持有效,同时活性氧化镁的活性对其短期修复效果影响不大。随后,采用自主开发的定量人工加速老化方法(Science of the total environment 2018, 643, 1571-1578),在实验室模拟了野外25-100年雨水侵蚀对修复后土壤铅稳定性的影响。发现修复后的50年内,土壤铅毒性浸出浓度达标;第75年,活性最低的活性氧化镁修复后的土壤铅毒性浸出浓度超标,其余达标;第100年,只有活性最高的活性氧化镁修复后的土壤铅毒性浸出浓度达标,其余都超标(图4)。进一步的连续萃取实验分析表明,经过模拟的100年的雨水侵蚀,原始铅污染土中已基本没有稳定态的铅,而活性最高的活性氧化镁修复后的土壤中稳定态的铅含量显著高于更低活性活性氧化镁修复后的土壤(图5)。

因此,本次研究推翻了预设的试验假设,发现在修复后的短期时间内,活性氧化镁的活性对修复效果影响不大,而在模拟的长期尺度上,活性越高的活性氧化镁修复的长期有效性越好。其原因主要是活性更高的活性氧化镁水化更快,生成更多含碳酸根的水化中间产物,提高了整个系统对酸的中和与缓冲能力,更有利于抵御酸雨侵蚀。总体而言,本次研究发现活性氧化镁是一种低碳高效的土壤铅稳定化材料,它起效极快(1天以内),同时通过调节它的活性,可以保持100年以上的修复有效性。

以上研究成果来自清华大学侯德义副教授课题组,近期以题为“Temporal effect of MgOreactivity on the stabilization of lead contaminated soil”发表在环境领域权威期刊“Environment International” (IF=7.943)。侯德义副教授为论文的通讯作者,清华大学访问学者、加拿大阿尔伯塔大学沈征涛博士为论文的第一作者,硕士生潘仕镇为共同第一作者,研究参与单位还包括中国矿业大学,英国格拉斯哥大学,南京工业大学等。


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