本文摘要：本冶金專業的論文對淄博地區典型土壤棕壤進行了理化性質的測定，進行表征，并且對Pb(II)在棕壤上的吸附和遷移性能進行了研究。本文以室內土柱實驗為基礎，從動態和靜態兩個方面系統的分析了常見因素影響下重金屬離子Pb(II)在土壤中的遷移擴散機理，考察了震
本冶金專業的論文對淄博地區典型土壤—棕壤進行了理化性質的測定，進行表征，并且對Pb(II)在棕壤上的吸附和遷移性能進行了研究。本文以室內土柱實驗為基礎，從動態和靜態兩個方面系統的分析了常見因素影響下重金屬離子Pb(II)在土壤中的遷移擴散機理，考察了震蕩時間、吸附劑濃度、pH、離子強度對棕壤吸附Pb(II)的影響，土層厚度、淋濾時間、淋入液濃度、淋濾量等因素對Pb(II)在土壤中遷移的影響，并且估計建立了Pb(II)在土壤中遷移的數學模型。
《冶金分析》主要報導我國冶金分析學科(礦物、冶金原材料、金屬、合金、環保等)具有創新性的研究成果，實用、行之有效的新技術、新方法、先進經驗;國內、外冶金分析的進展和動態。本刊可供冶金、礦山、化工、機械、地質、環保、外貿、商品檢驗、國防等部門從事冶金分析的科研人員、科研和生產管理人員、實驗人員及大專院校和中等技術學校有關專業的師生閱讀參考。獲獎情況：1998-1999年度全國冶金行業優秀期刊三等獎。
摘 要：重金屬污染物在土壤中具有長期累積效應、移動性差、滯留時間長，交互作用、難降解，毒性強等特點，其環境效應涉及土壤、水體、動植物和人類，土壤一旦受到重金屬污染將難以修復。土壤鉛污染具有普遍性，持續時間長和難治理性，隱蔽性，復合性四大特點。一旦進入水體或土壤中，就會造成永久性的污染，被水中的水生生物富集或者被土壤中的植物體吸收，并通過食物鏈最終在人體內積累，危害人體健康。
本論文采用靜態和動態實驗，探究Pb(II)在淄博地區未污染土壤中的吸附性能和遷移機理，并建立一定的數學模型。為了解重金屬鉛土壤中的環境化學行為，評價重金屬鉛的風險，提供參考依據;為污染防治提出管理對策，為制定相關土壤環境標準、預測重金屬鉛的環境效應具有一定的指導意義;對預防土壤鉛污染對人類危害的發生有著重要理論和實際的意義。
論文首先對供試土壤用XRD和FTIR等測試手段進行了詳細的表征，然后分別從靜態批試驗和動態土柱淋濾試驗探討了震蕩時間、pH、離子強度、吸附劑濃度、腐殖酸等因素對吸附的影響以及土柱厚度、淋濾時間、淋入液濃度、淋入量等因素對遷移的影響，并建立一定的數學模型，模擬評價鉛在土壤中的風險，并根據模型預測和預防鉛污染。實驗結果表明：
(1)淄博地區農田土壤與膨潤土的主要成分十分相似，表面有羥基、Al–O–Si 和 Si–O等官能團。
(2)在低pH值時，隨著pH的增大，吸附率逐漸增加，增大到一定程度后，吸附率吸附率基本達到最高點，保持穩定而不隨pH變化;在高pH值時，吸附率隨pH值增大而減小。
(3)腐殖酸(HA)在低pH值時促進Pb(II)在土壤上的吸附，高pH值時起抑制作用。
(4)土壤對Pb(II)是逐步均勻地吸附，直到吸附飽和。土壤對鉛的吸附性能比較好，進入土壤中的鉛主要積累在土壤的表層，對地下水不會造成太大的威脅。
(5)建立的模型相對比較簡單，對于污水灌溉區，需要通過實驗來確定不同深度的土壤層的吸附飽和值，并結合當地實際情況進行預測。盡量使土壤中污染物質含量始終保持在土壤層吸附飽和值以內，從而防止和消除對地下水的危害。
關鍵詞：重金屬離子;吸附作用;遷移機理;數學模型
1.1.1 鉛的存在狀態和用途
重金屬原本是指相對密度大于5的金屬，但在分類的過程中，卻將稀土金屬、不溶性金屬除去，最終包括銅，鋅，鉛，錫，鈷，銻，汞，鎘，鉍，鎳等10種工業金屬元素[1]。鉛是地殼中含量最多的重金屬元素，同時也是重金屬中消費量最大的元素。地殼中鉛的總量為1014噸，平均含量為 16ppm[2]。鉛呈灰白色，比重大(11.34)，熔點低(327.5℃)，沸點高(1525℃)。
我國對鉛的發現、生產和使用可以追溯到公元前2000年左右。從16世紀開始，鉛進入到工業規模化生產階段，現在全世界每年鉛的使用量約為1000萬噸。由于鉛具有價格低廉，特性優良，高度的化學穩定性等特點，鉛及其化合物廣泛用于化工制造、冶金、防腐、建筑以及蓄電池制造業，同時還廣泛的用于運輸、飛機、電報和無線電等行業，且用量還在不斷增加[2]。
環境中的鉛通常以二價離子狀態存在，僅少數為金屬狀態。鉛易與許多金屬構成合金，并用于工業制造。鉛還能吸收放射線，故還能用于原子能工業及X射線工業。另外，鉛的許多化合物多用作顏料、涂料、玻璃、陶磁器及氯乙烯穩定齊華、農藥等行業[3]。
1.1.2 土壤中重金屬鉛的來源
根據土壤中鉛的來源分類，重金屬鉛的污染可以分為四類：水體污染型，大氣沉降型，固體廢物污染型，農業污染型。
①水體污染
含鉛的工礦企業廢水、城市生活污水等，未經處理就實行清污分流，直接排放。北方缺水的地區的污灌技術和污泥土地利用，使得土壤受到重金屬、有機物及其他病原體的污染[4]，另一方面化學肥料和農藥的使用[5]等活動也使得大量的重金屬進入土壤系統。
②大氣沉降
煤、油、木柴以及垃圾等燃燒產生的工業廢氣和汽車廢氣，以及環境中的鉛通過地殼侵蝕、火山爆發、海嘯、森林山火等現象進入大氣[6]，隨降水等自然現象進入土壤。
③固體廢物污染型
固體廢物污染主要是指堆放在地表的城市垃圾、工廠排出的廢渣和污泥等垃圾，經過擴散和降雨的淋溶后，使地表受到不同程度的污染[1]。并在淋溶、地面徑流和地下水的作用下向其他環境轉移，擴大污染范圍[7]。
1.1.3重金屬鉛對土壤的污染現狀
隨著工業化和城市化進程的加速、人口的急劇增加以及工農業的快速發展, 土壤鉛污染問題日趨嚴峻。當加入到土壤中的污染物超過了土壤的自凈能力，或者污染物在土壤中的累積量超過了土壤的基準量，就會給生態系統造成的危害[8]。公路兩側[9,10]、城市區[11,12]、菜地[13]以及污灌區[14]是鉛污染土壤的主要區域。
在過去的50年中，鉛在環境中全球排放量約為7.83×105噸，其中大部分進入土壤，造成世界各國具有不同程度的土壤重金屬污染[15]。我國24 個省(市)城郊、污水灌溉區、工礦等經濟發展較快地區的320個重點污染區中，重金屬含量超標的農產品產量與面積約占污染物超標農產品總量與總面積的80%以上，其中鉛是最嚴重的污染元素之一[16]。據統計，我國大中城市郊區蔬菜、糧食、水果、肉類與畜產品中鉛的超標率分別為38.6%、28.0%、27.6%、41.9%和71.1%。
“十一五”以來,經濟快速發展, 但我們付出的成本是高昂的，資源浪費，環境污染，生態破壞嚴重, 尤其是對土壤重金屬污染,不僅嚴重制約了經濟的增長質量,而且也極大地影響了廣大人民群眾的身體健康[17]。國務院正式批復的《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》充分體現了黨中央、國務院對重金屬污染防治的高度重視。全國全面開展涉鉛行業排查整治，首次將該行業所有企業的環境信息向社會公開，接受監督，整治力度之大前所未有。
1.2 重金屬鉛的危害
重金屬污染物在土壤中具有長期累積效應、移動性差、滯留時間長，交互作用、難降解，毒性強等特點，其環境效應涉及土壤、水體、動植物和人類，土壤一旦受到重金屬污染將難以修復。重金屬主要積累在土壤的表層，并在土壤中不斷發生時空遷移和價態、形態轉化。土壤對重金屬污染有一定的緩沖作用，但當緩沖作用達到飽和時，重金屬就猶如“化學定時炸彈”會對土壤、地下水、農作物及人體健康造成威脅[18]。土壤鉛污染具有普遍性，持續時間長和難治理性，隱蔽性，復合性四大特點[19]。一旦進入水體或土壤中，就會造成永久性的污染，被水中的水生生物富集或者被土壤中的植物體吸收，并通過食物鏈最終在人體內積累，危害人體健康。
1.2.1鉛對人體健康的影響與危害
鉛具有長期性和非移動性等特性[20]，鉛污染土壤后，會對作物及農產品和地下水造成次級污染，經水、氣、生物等介質傳輸，通過飲水、呼吸、飲食、皮膚吸收等途徑進入人體而影響人類健康[21]。
鉛在人體內，存在吸收—蓄積—排出的動態平衡。在正常情況下，接觸一定量鉛后，若進入量和排出量接近時并不產生危害。若進入量大于排出量，則鉛吸收的量增多，相應尿鉛排出量也增高，但無任何中毒癥狀出現。若吸收量過多，血液和軟組織中的鉛濃度都會增高到一定程度，從而產生毒性作用。
鉛的毒性與其化合物的形態、溶解度大小有關。鉛的毒性可以作用于全身各個系統和器官，鉛可與體內一系列蛋白質、酶和氨基酸內的官能團(如巰基)結合，干擾機體許多方面的生化和生理活動。鉛中毒會損害神經系統[22]，引起末梢神經炎，出現運動和感覺異常，常見的異常有伸肌麻痹。浸入體內的鉛，隨血流進腦組織，會損傷中樞神經系統[23]，干擾代謝活動，導致營養物質和氧氣供應不足。鉛中毒還會對心血管[24]產生損害，表現為細小動脈硬化。此外，鉛中毒還對生殖系統[25,26]，造血系統、免疫系統，泌尿系統，消化系統，內分泌系統以及關節等器官[27-31]帶來影響。
鉛的有機和無機態均具有致畸、致癌和致突變的危害，幼兒大腦受鉛的損害，要比成人敏感得多。越來越多的報道表明，平時接觸環境中的鉛，特別是大氣中的鉛，對兒童的身體和智力產生的危害更為嚴重[32-37]。
顯然，鉛污染不僅影響身體健康，而且影響兒童智能發育，必須采取積極措施，防治其危害。
1.2.2鉛對植物的影響與危害
鉛不是植物生長發有的必需元素.鉛進入植物的過程，主要是非代謝性的被動進入植物根部。除植物根部外，鉛還可以通過樹皮或葉片進入植物體內。積累在根、莖和葉內的鉛，可影響植物的生長發育，使植物受害。鉛能減慢根細胞的有絲分裂速度，影響植物根系的生長，這也許是造成作物生長緩慢的原因。
鉛主要影響植物的光合作用和呼吸作用[38-43]。其破壞作用表現在破壞葉綠素的結構、阻礙某些糖類和蛋白質的合成、改變酶的活性[44-47]，另外還會引起葉片中DNA、蛋白質及酸性與堿性磷酸酶比例的減少，蛋白酶及核糖核酸酶活性的降低，影響植物的生長發育[47]。
1.3.1遷移和轉化方式
土壤環境中重金屬的遷移和轉化形式是復雜多樣的，受重金屬自身性質(化學性質、遷移系數[48])、土壤理化性質和環境條件等多種因素的共同影響，遷移和轉化會多種形式同時或交錯發生[49]。重金屬在土壤中的遷移和轉化方式大致分為物理遷移、化學遷移和物理化學遷移、生物遷移3種[50]。
物理遷移是重金屬的機械搬運。土壤中的重金屬或絡合物離子可以隨水分從土壤表層遷移至地表水體或地下水體。大多數的重金屬包含于土壤顆粒或吸附在土壤膠體表面，并通過土壤滲流或揚塵等形式而被機械搬運。也有隨土壤空氣而運動的,如元素汞可轉化為汞蒸氣擴散;也有因其本身比重較大而發生沉淀,或閉蓄于其他無機、有機沉淀之中[51]。
化學遷移和物理化學遷移 重金屬在土壤中通過吸附與解吸、沉淀與溶解、氧化與還原、配合、鰲合、水解等一系列化學、物理化學作用遷移和轉化[51]，形成了同的化學形態。國內外學者根據Tessler[52]的方法把土壤中重金屬的形態分為：總量可交換態、碳酸鹽態、鐵錳氧化物結合態、有機硫化物態和殘留態。重金屬在土壤中的存在形態,積累狀況和污染程度,是重金屬在土壤中最重要的變化方式。重金屬在土壤中的遷移轉化規律,受pH、Eh值和土壤中存在的其他物質(如Cl-、富里酸、胡敏酸等)、配位平衡、共沉淀等多種因素的共同影響[53]。
生物遷移主要是指植物通過根系吸收土壤中某些化學形態的重金屬, 并在植物體內積累的過程[53]。
一方面,植物富集的重金屬有可能通過食物鏈進入人體，污染危害將更加嚴重;另一方面, 植物富集的重金屬可能通過土壤中生物再次進入土壤,土壤將會受到重金屬的二次污染。重金屬在土壤環境中的總量和賦存形態、土壤環境條件(pH 值、Eh 、膠體種類和數量以及土壤類型)、植物種類、重金屬離子之間的相互作用(協同作用和拮抗作用)是影響生物遷移的主要因素[53]。
6.4 本章小結
本章通過土柱淋濾試驗, 從動態角度(土柱厚度、淋濾時間、淋入液濃度、淋入量)研究了土壤對Pb(II)的凈化作用及遷移規律。研究結果表明：土壤對Pb(II)是逐步均勻地吸附，直到吸附飽和。土壤對鉛的吸附性能比較好，進入土壤中的鉛主要積累在土壤的表層，不會向深處運移，對地下水不會造成太大的威脅。
對于污水灌溉區，需要通過實驗來確定不同深度的土壤層的吸附飽和值，并結合當地的地質水文地質條件，合理控制污灌定額、污染物質濃度、污灌時間、作物密植程度。盡量使土壤中污染物質含量始終保持在土壤層吸附飽和值以內，從而防止和消除對地下水的危害。
7.1 結論
得出以下結論：
1、 棕壤與膨潤土的主要成分十分相似，表面有羥基、Al–O–Si 和 Si–O等官能團。
2、 在低pH值時，隨著pH的增大，吸附率逐漸增加，增大到一定程度后，吸附率吸附率基本達到最高點，保持穩定而不隨pH變化;在高pH值時，吸附率隨pH值增大而減小。
3、 腐殖酸(HA)在低pH值時促進Pb(II)在土壤上的吸附，高pH值時起抑制作用。
4、 土壤對Pb(II)是逐步均勻地吸附，直到吸附飽和。土壤對鉛的吸附性能比較好，進入土壤中的鉛主要積累在土壤的表層，不會向深處運移，對地下水不會造成太大的威脅。
7.2 展望
鉛應用于多個領域，可以固、氣、液多態存在，毒性較大，如若管理不善，勢必會產生污染，危害環境和人體健康。鉛污染的毒害作用不是單因素的影響，而是多方面多因素共同影響的結果，作用機理也十分復雜，因此鉛污染仍是亟需解決的環境問題之一。
本論文對Pb(II)在土壤中的吸附性能和遷移機理做了一定程度的探討，取得了一定的成果并建立了一定的數學模型，。但是，土壤成分結構十分復雜，吸附過程會涉及到很多因素，是一個十分復雜的過程，本論文中的機理也是試探性的，數學模型也比較簡單模糊。要想更準確的解釋土壤對Pb(II)吸附機理，還需要科研工作者的進一步研究。
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