媒体报道

土壤修复涌现万亿级市场,矿物材料发展迎来新机遇!

2018-08-07 来源:企划部

土壤既是经济社会可持续发展的物质基础,也是农产品、人居与生态安全及人民身体健康的重要保障,与水和空气质量改善息息相关。

在我国,伴随着近几十年农业的快速发展,土壤板结、土传病害、耕地质量退化、土壤污染、养分失衡及盐渍化等问题日趋严重。2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出全国范围现有土壤超标总量占调查总数量为16.1%,中东部地区已有333.33 万/hm2 耕地为中重度污染,已不适宜最基础的农作物种植,重污染企业超标率是36.3%,工业废弃地的超标率是34.9%,工业园区的超标率是29.4%,固体废弃物处置处理场地的超标率是21.3%。

土壤污染问题已经引起国家层面的高度关注,按照“土十条”的规划,我国土壤污染防治将稳步推进。今年的全国生态环境保护大会明确提出,全面贯彻落实土壤污染防治行动计划,外加《土壤污染防治法》的预出台,我国土壤修复市场有望迎来最好时代!

 
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“十三五”期间,我国土壤修复的潜在市场空间约3500亿元。如果政策与市场表现不达预期,在1000亿元左右,超预期的情况下,最高可达6000亿元。至于中期,未来5年,即2023年左右,土壤修复产业的市场规模可以超过1.5万亿。长期来看,空间更加巨大,可以突破7万亿。总体来看,我国土壤修复的理论市场总量为5-9万亿元。

——中国环保在线

关于土壤修复技术,研究者们花了相当大的精力寻求将受污染土壤恢复到原始状态的技术对策与方法。 

矿物基材料因其成本低,使用简便,效果好,成为土壤、环境修复和农业面源污染治理技术的“新贵”。其物理化学组成与构成土壤的黏土矿物近似,应用于土壤污染修复后对土壤环境的长期影响小,无二次污染,适于在我国进行大面积推广应用。 

矿物材料修复可采用天然矿物或改性矿物,利用矿物基材料的特性改变污染物在环境中的存在形态,以便固定环境污染物、降低其移动性和毒性,进而抑止其对地表水、地下水和动植物等的危害,达到治理或修复目的。

 

常见报道的矿物基修复材料

天然矿物

 

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氢氧化物

 

 
 

矿物基改良剂应用于土壤修复,最早且广泛使用的是氢氧化物,典型为石灰,对于酸性土壤,通过增大土壤pH值沉淀重金属,同时增加Ca质以减少土壤对镉、铅和锌的生物有效性与利用程度,且研究证明经石灰修复后的土壤微生物活性有所增强。

但石灰的缺点也相当明显,因为其主要是通过提高土壤pH值来实现,因此其效果对环境pH值的变化很敏感,此外长期施用会对土壤造成破坏,影响土壤呼吸与酶活性,与石灰作用类似的还有锰氧化物。氢氧化物的释碱速率快,对于受酸性水灌溉的土壤或产酸水稻等需长期施用。因此,有学者想到了释碱速率相对较慢的石灰石,但石灰石的应用实例报道少。

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类黏土矿物

 
 

相对于石灰与锰氧化物等矿物,采用类黏土矿物进行土壤修复的研究较多,黏土特殊结构组成使其具备土壤修特性与优势,以及一些特有的性质。就目前报道来看,蒙脱石、长石、高岭石、伊利石、磷灰石、凹凸棒石、沸石、石膏、海泡石和蛭石等均有良好表现。例如:

奥地利学者将磷灰石和Slovakite用于一个冶炼厂铅、锌、铜、镉污染土壤的稳定化。进一步研究表明,该方案的土壤长期稳定性受到来自蚯蚓的破坏,使土壤pH降低、铅的有效性增加。

也有研究者采用钠蒙脱石进行了铜、铅、铬的竞争吸附研究,并评价了其他低毒性金属离子对其可能产生的抑制作用,而钠基膨润土可用于Cu(II)污染土壤的修复。矿物材料在有机物降解方面也有效果,如含锰矿物水钠锰矿被证实可参与酚类化合物的矿化。

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铁系矿物材料

 

 
 

还有一类需要单独说明的是铁系矿物材料在土壤修复中的应用,包括铁无机化合物或铁基超氧物,它们也是研究较多的土壤修复矿物材料,不仅应用于金属和类金属,还可以降解持久性有机污染物。

土壤砷固定是一个相对较难解决的课题,目前,大量研究报道将铁基材料应用于砷稳定/固化。铁系矿物材料也被广泛应用于有机物的处理。例如,FeS与黄铁矿被应用于厌氧条件下土壤中四氯化碳的分解,四方硫铁矿被应用于六氯乙烷还原脱氯,黄铁矿和针铁矿应用于降解四氯乙烯和二氯乙烯,等等。此外,还有一些更有前瞻性的研究,如制备pH和温度敏感性的磁性吸附剂等。

 

活化改性矿物

受天然矿物自身固有结构的影响,其土壤修复能力与性能尚存不足,除少量矿物如蒙脱石、膨润土、海泡石等外,大部分天然材料反应活性不高、比表面小,因此,活化改性可以利于充分发掘材料替在效能、减少用量,并取得更好与更持久的修复效果。

如通过改性之后的凹凸棒的比表面积可由原来的125~210m2/g增加到300m2/g以上;改性后的蒙脱石对Pb的吸附能力可增强8~9倍;天然海泡石的离子交换吸附性能差、比表面积小,通过烘烤和焙烧、酸处理和离子交换等方法改性可获得极大改进。

近年来,改性方法、机理、工艺及条件已成为人们关注的焦点。常见的改性有热处理、无机改性和有机改性。改性后的黏土矿物在性能方面有很大的改善,并在实际运用中更具有优越性。因此,近年来,改性与活化方法、机理、工艺及条件正成为人们关注的焦点,也必将是未来土壤修复中的主要方向。

 

展望

 

 

 

在我国,矿物基材料在土壤修复中的应用处于阶段,矿物基材料的研究涉及矿物学、化学和材料学等领域知识,但该领域的研究人员与经费投入少、机理研究肤浅、加工与改性方法粗简。此外,应将矿物基材料土壤修复技术与其他物理、化学及生物技术相结合以获取最佳修复效果、解决复杂污染等,尤其是与生物技术的结合已取得一些进展,如探索理想的改性试剂等。

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