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新型巯基化氧化石墨烯/铁锰氧化物复合材料原位高效修复汞污染土壤

17、土壤科学与环境健康 > 专题6：土壤质量及其风险评估

汞（Hg）是土壤中常见的重金属污染物，严重危害生态环境和人体健康，尚缺乏有效的原位修复技术。我们成功将新型巯基化氧化石墨烯/铁锰氧化物（SGO/Fe-Mn）复合材料应用于汞污染土壤的原位修复。研究了复合材料固定化汞的效果和机制，探讨了复合材料对土壤理化性质的影响，并考察了治理修复后汞的长期稳定性。
复合材料固定化汞的效果通过土壤的浸出毒性实验（硫酸硝酸法）进行检验。当SGO/Fe-Mn的投加量为0.4%时，72天后，浸提液中汞的浓度降低了95％。复合材料对汞的固定化率随着土壤含水率的增大而增大。土壤含水率从0增大至12.5%时，汞的固定化率由75.0％增至97.6％；土壤含水率继续增至62.5％时，固定化率高达100.0％。
SGO/Fe-Mn复合材料通过表面配合和化学沉淀的作用固定化汞。土壤中汞的存在形态包括：可交换态（EX），碳酸盐结合态（CB），铁锰氧化物结合态（OX），有机物质结合态（OM）和残余态（RS）。未处理的土壤中，EX、CB、OX、OM和RS的百分比分别为18.5％、8.9％、0.5％、68.2％和4.0％，土壤处于中等风险。加入0.4%的SGO/Fe-Mn反应72天后，EX和CB的比例分别降为0.4%和0.2%，OX，OM和RS的比例分别增至0.6%，92.9%和5.8%，土壤无环境风险。显然，复合材料的加入将土壤中的汞由生物可利用性高的形态（EX和CB）转变为较难被生物利用的稳定形态（即OX，OM和RS），极大地降低了汞的环境风险。
汞污染土壤为粉质壤土，显碱性（pH=8.9），阳离子交换容量为0.9 mol/kg，总有机碳（TOC）、有效N、P和K的含量分别为6400.0，24.4，4.3和121.9 mg/kg。加入SGO/Fe-Mn处理72天后，pH值下降至8.3，可归因于汞与巯基、羧基等官能团之间的相互作用。土壤CEC与土壤胶体中的负电荷有关，同时影响重金属的生物利用性，较高的CEC有利于稳定土壤中的汞。SGO/Fe-Mn的表面、边缘和夹层上存在丰富的官能团（如硫醇、羧基和羟基），提高了土壤的CEC（增加了0.3 mol/kg）和TOC的含量（从6400.0增加到7200.0 mg/kg），促进了汞离子的络合。此外，土壤中有效氮和钾的含量分别增加了13.4和34.0 mg/kg，土壤肥力得到改善。
固定化重金属的长期有效性是评估重金属修复技术的重要标准。土壤处理365天后，汞的固定化率高达99.5%，浸提液中汞的浓度为0.8 μg/L，符合地下水质量标准（GB/T 14848-2017）III类要求（1.0 μg/ L）。
研究结果表明，SGO/Fe-Mn复合材料可有效固定化土壤中的汞，在汞的治理修复方面显现了很好的前景和可行性。