纳米材料对低分子有机酸淋洗去除土壤重金属影响研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:QQ403402618
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土壤重金属污染已经成为全球最严重的环境问题之一。低分子量有机酸作为一种环境友好的淋洗剂能够有效去除土壤中重金属,但单一的有机酸对多金属复合污染土壤的淋洗修复效果有限。因此本研究采用纳米二氧化硅(nano-SiO2),多壁碳纳米管(MWCNT)以及纳米二氧化钛(nano-TiO2)三种纳米材料,探究其与苹果酸(MA)、柠檬酸(CA)和草酸(OA)这3种低分子有机酸复合在不同淋洗条件下对土壤重金属的去除效率,同时从淋洗前后土壤基础理化性质、残余土壤重金属形态和盆栽毒性试验等评估淋洗对土壤和植物生长的影响。主要研究结果如下:(1)不同低分子有机酸去除重金属的效率不同,单一的纳米材料去除率低于2%。低浓度的柠檬酸对土壤中铅、锌和镉的淋洗去除率分别为47.38%、40.19%和17.88%。同一浓度下,柠檬酸对重金属的去除率高于苹果酸,二者显著高于草酸(p<0.05)。纳米二氧化硅、多壁碳纳米管和纳米二氧化钛对三种金属的去除率均不到1.2%。(2)复合淋洗剂的浓度、pH和时间对土壤重金属的淋洗效率影响显著。随着nano-SiO2和MWCNT浓度升高可显著提高有机酸对土壤中铅、锌和镉的去除率(p<0.05),且当有机酸浓度为0.25 mol/L时,0.10 mol/L的nano-SiO2和0.06 mol/L MWCNT对有机酸去除土壤铅、锌和镉有最大提升率,分别为19.34%-27.56%和17.23%-23.73%;然而随nano-TiO2浓度增加却显著降低有机酸对土壤中铅、锌和镉的去除率(p<0.05),降低率最高分别达59.23%、35.23%和34.45%。随着淋洗液pH的增加,重金属淋洗率呈对数下降(p<0.01);随着淋洗时间增加,重金属淋洗率呈先显著上升(p<0.05),2.0 h后逐渐平缓的趋势。(3)三种纳米材料主要通过影响淋洗过程中羧基、羟基等有效官能团数量、分布以及反应强度,从而影响有机酸对重金属的去除效率。其中,nano-SiO2与MWCNT能够促进有效官能团在复合淋洗剂表面聚合参与反应,从而提高低分子有机酸对土壤重金属的去除率,而nano-TiO2却在淋洗过程中抑制羟基等官能团与重金属离子螯合。(4)淋洗后土壤理化性质变化明显。其中,单一的3种有机酸淋洗后能增加0.5%-12%的土壤有机质含量,单一苹果酸能增加5.11%速效磷的含量,而降低土壤酸碱度、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾含量,显著降低土壤酶活(p<0.05)。与单一有机酸淋洗相比,nano-SiO2的加入能够使土壤中基础养分提升3%-9%,MWCNT能够提升土壤基础养分2%-10%,nano-TiO2提升2%-5%。(5)复合淋洗后,可交换态的土壤铅、锌和镉含量显著降低(p<0.05),且降低幅度最大分别为95.4%,98.2%和99.7%,而对残渣态重金属去除最少;与单一有机酸淋洗相比,nano-SiO2和MWCNT的加入可促进土壤中可还原态和可氧化态的铅、镉含量显著减少(p<0.05),毒性降低,各形态的锌均显著降低(p<0.05),毒性有所下降。而纳米二氧化钛则对有机酸改变土壤重金属形态无明显影响。(6)高浓度的重金属污染土壤抑制植株生长,而经苹果酸、柠檬酸淋洗修复后的土壤能使植株正常生长,盆栽白菜以及莴苣的根、茎和叶SOD、POD和CAT酶活性均显著降低(p<0.05),降低率分别为36.45%-57.24%、16.78%-38.12%和13.56%-28.45%。与单一有机酸淋洗修复相比,MWCNT的加入使盆栽白菜生物量达到原土处理的2.06倍,nano-SiO2的加入使盆栽莴苣生物量达到原土处理的1.95倍,而纳米二氧化钛对有机酸淋洗处理的植株生物量没有显著影响(p>0.05)。
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