改性海泡石对土壤镉的修复机制和应用潜力研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 项淑婷 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 阎秀兰 |
| 关键词 | 海泡石 生物炭 球磨 镉 钝化 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 随着我国经济结构转型与产业升级，历史工矿活动遗留污染、农业面源输入及城市扩张的长期累积效应等，土壤镉（Cd）污染仍为突出环境问题，其通过食物链迁移引发的生态与健康风险制约着耕地资源安全。在农田土壤Cd污染治理中，钝化修复技术因经济性、操作便捷性和环境友好性等优势，成为当前应用最广泛的修复手段之一。其中，开发低成本、易制备且环境兼容性优异的钝化材料是解决土壤Cd污染问题的关键突破口。海泡石是一种良好的Cd吸附剂，本研究选取河北省某天然海泡石矿区原料为研究对象，针对天然海泡石表面活性位点不足等问题，对比了酸活化改性与机械球磨等不同改性方法对海泡石表面特性及Cd吸附能力的强化机制。此外，本研究还重点关注了钝化材料对土壤功能状况的影响。通过复配海泡石与生物炭，探究了复配对Cd污染土壤的修复机制及对土壤功能指标的影响。主要结论如下： （1）发现球磨处理较柠檬酸浸渍、柠檬酸球磨处理对海泡石吸附性能的提升最为显著。探究不同球磨速度（BM1:300 r/min、BM2:450 r/min、BM3:600 r/min、BM4:750 r/min）对海泡石吸附能力的影响，发现600 r/min的条件下制得的球磨海泡石（BM3）具有最佳的Cd吸附性能。综合利用多种表征技术，通过改变pH、Cd(II)溶液浓度、吸附时间、共存离子等条件参数，研究了不同球磨改性海泡石对Cd(II)的静态吸附行为和强化机制。结果表明，球磨处理显著改变了海泡石的微观结构和表面特性。一方面，球磨处理可增大海泡石的比表面积并改善其孔道结构，有助于提高活性位点的暴露，为吸附Cd(II)提供了更多的活性位点。随着球磨转速增大，材料表面的电负性增强，表面的疏水性不断提高。此外，高能球磨可使材料颗粒细化、层状结构发生解束，材料表面钙镁原子比随球磨速度增大而升高，这有利于提升Cd与材料表面钙镁的离子交换。BM3不仅在较宽的pH变化范围内表现出优异的Cd吸附能力，当Mg²⁺、Cl⁻和SO₄²⁻存在时，BM3对Cd(II)吸附表现出最高的选择性。 （2）海泡石与生物炭复配对于Cd污染土壤修复具有协同增效作用。土壤培养实验结果表明，单独添加生物炭（B1）处理组在培养天数为15天时，Cd的有效态显著降低（0.10 mg/kg）。随着时间的增加，Cd的有效态进一步降低，60天时降至0.07 mg/kg。海泡石与生物炭复配处理组（S1B1、S1B2和S2B1）在15天时的Cd有效态分别为0.10 mg/kg、0.08 mg/kg和0.09 mg/kg，60天时，S1B1、S1B2和S2B1的Cd有效态分别降至0.07 mg/kg、0.06 mg/kg和0.07 mg/kg。利用响应面法优化得出的最佳复配方案为BM3 2.2% +生物炭2.8%，钝化时间为30天。在此条件下，土壤中Cd的有效态含量显著降低，表明复配钝化剂在降低Cd生物有效性方面具有协同增效作用。 （3）球磨海泡石复配生物炭处理显著改善了土壤理化性质和肥力。复配处理下土壤pH值变化大多不显著，30d时，S1B2组的pH值达到最大，为7.78。复配处理提高了土壤电导率，60d时S1B2组的电导率达到最大值，为526 μS/cm。根据Box-Behnken响应曲面法最佳配方处理下，最优配方处理组Optimum的有机质含量为57.06 g/kg，比对照显著提高了43.47%；CEC有所提高，为27.30 cmol/kg，略低于单独使用生物炭的处理，但显著高于对照组和单独使用海泡石的处理。海泡石与生物炭复配处理在将Cd转化为残渣态方面具有协同增效作用，可氧化态Cd增加了6.96%、残渣态Cd比例上升了10.74%。同时，复配处理提高了土壤的碱解氮、速效磷、速效钾含量，土壤团聚体MWD和GWD相比于空白对照处理分别增加了21.92%、15.74%，土壤结构稳定性增强。复配处理下黑麦草发芽率提高111%、生物量提高226%，株高提高63%，土壤酶活性增强。基于熵权TOPSIS法的综合评价结果表明，球磨海泡石复配处理对土壤综合健康状况的提升效果显著，土壤质量综合评价指数SQI值Optimum组高于单独施用海泡石（S1）和生物炭（B1），复配处理在一定程度上结合了两者的优点，既利用了生物炭的高效改良作用，又通过海泡石的辅助作用进一步优化了土壤质量，在降低Cd污染风险的同时，兼顾了土壤改良效果与成本效益，具有良好的实际应用价值。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 112 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/215699]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 项淑婷. 改性海泡石对土壤镉的修复机制和应用潜力研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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