污染土壤剖面中铊的迁移转化研究

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铊(Tl)是一种稀有分散、剧毒性的重金属,其毒性超过汞,铅,砷和铜等常见金属。随着含Tl矿的开采冶炼,大量的Tl被活化并释放进入土壤、大气和水体中,随后Tl不断地扩散、迁移和转化,极大地增加了环境的危害性。贵州省兴仁县滥木厂Hg-Tl矿区是世界上典型的独立Tl矿,典型的高Tl污染地区。因此,本文选取含Tl矿渣污染土壤剖面(剖面A)和含Tl矿渣淋滤雨水污染土壤剖面(剖面B)两种不同的污染类型的土壤,运用改进的IRMM法等研究典型污染土壤剖面中Tl在自然土壤环境条件的迁移行为特征、化学形态转化及其影响因素等,揭示Tl在土壤纵向的迁移转化规律,为Tl污染土壤的预防和治理提供基础理论支撑。研究结果如下:(1)土壤剖面A和剖面B中Tl含量分别为48.7~375 mg/kg、38.2~66.9mg/kg,平均含量分别超过中国土壤背景值约189倍和83倍,且存在污染地下水的高风险。不同来源的Tl的迁移行为特征明显不同,且其迁移行为与土壤中铁锰氧化物、硅酸盐矿物、SO3、TOC等含量及土壤pH有关。(2)剖面A中酸可交换态(F1)和可氧化态(F3)都低于10%,主要是以可还原态(F2)和残余态(F4)为主,这部分的Tl主要来源于含Tl矿渣或残余硫化物矿的溶解释放,在迁移过程中主要向F2和F4转化。与剖面A比,剖面B中Tl是矿渣经雨水淋滤后远距离迁移而来的,具有更强的迁移活动性,主要向F2和F4转化,有40%以上转化为F4,30%以上转化为F2,F1和F3占12.7%和6.23%,同时也表明Tl在剖面B中的迁移转化是较为“快速”。(3)以淋滤释放的Tl主要是以Tl(I)形式存在,Tl(I)可被土壤中铁锰氧化物吸附并氧化成Tl(III)转化为F2;Tl(I)也可以取代K(l)进入土壤中伊利石和黄钾铁矾晶格夹层中,而进入伊利石矿物晶格中的Tl则转化为F4。土壤中的磁铁矿、赤铁矿、水钠锰矿和黄钾铁矾矿富集Tl,这些矿物是Tl在土壤中迁移转化的重要影响因素。(4)土壤剖面A和剖面B中ε205Tl范围分别为﹣0.56~2.41和﹣0.23~3.79,Tl形态转化过程中伴随着Tl同位素分馏。在剖面B中,下层土壤具有富集重Tl同位素的趋势,对应有F1,F3增加,F2降低,表明Tl迁移形态除了Tl(I)外,还可能有溶解性有机态Tl(III)。土壤中Tl的化学形态可能发生的主要转化形式:F1→F2、F4;F2→F3、F4。(5)剖面A和剖面B中活动态(Tllabile,F1、F2和F3总和)分别高达40.1%和54.4%。可通过施加石灰等碱性材料以提高土壤pH,减弱Tl的迁移活动性;施加铁锰氧化物或黏土矿物(如伊利石、高岭石和蒙脱石等),有利于促进活动态向残余态转化,固定土壤中的Tl。然而,土壤溶解性有机质会增强Tl的活动性,使Tl往下迁移,从而增大污染地下水风险。
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