利用大型土壤渗滤装置同步平行试验研究锑在我国典型土壤中的垂向迁移特征

A large amount of antimony (Sb) has entered the environment because of the development of modern industry. Sb contamination in the environment and its control has become a concern for scientists worldwide. However, there has been less research on Sb compared with elements such as arsenic and mercury and, therefore, the biogeochemical circulation and environmental behaviors of Sb are still poorly understood. Lysimeter, a large-scal soil simulation device that can produce experimental conditions close to real environmental situations, has been widely recognized as the most effective way to trace the migration and fate of contaminants within a soil matrix under controlled conditions. However, few studies in China and abroad have quantitatively assessed the leaching and migration of Sb in contaminated soil and its impact on groundwater using lysimeters. This study was based on our previous studies on the migration and transformation of heavy metals in soils using the lysimeter-based synchronous parallel simulation. We adopted the synchrotron radiation-based extended x-ray absorption fine structure (XAFS) analysis technique to explore the adsorption-desorption mechanism and vertical migration of Sb in soils typical in China and their influencing factors. Additionally, in combination with numerical simulation, we explored the risk that Sb contaminates groundwater. This exploratory study may provide useful information on the process and micro-mechanism by which Sb contaminates the ecosystem, especially the environmental behaviors of Sb in soils, and thus provide clues for the remediation of Sb-contaminated soils.

近年来锑（Sb）的环境污染及控制问题已引起国内外科学界的高度关注，但与砷和汞等相比，国内外对Sb的生物地球化学循环和环境行为还缺乏系统认识。大型土壤渗滤装置（Lysimeter）是目前公认的在可控条件下研究污染物在土壤中迁移和归趋的较有效且接近真实环境条件的实验手段。目前国内外关于利用Lysimeter实验定量评价污染土壤Sb的迁移特征及其对地下水影响的研究还很少。本项目希望利用申请者在利用Lysimeter同步平行模拟试验在土壤重金属迁移转化方面所作的一些力所能及的探索性研究积累，结合基于同步辐射的x射线吸收精细结构谱 (XAFS)分析技术，初步研究Sb在我国典型土壤中吸附解吸机制和垂向迁移行为以及影响因素，并结合数值模拟探讨Sb对地下水的污染风险。这一探索性研究能有助于理解和描述Sb污染生态过程及其微观机理，积累一些Sb的土壤环境行为方面的科学认识，为Sb污染土壤的治理提供粗浅依据。

我国是世界上锑矿资源最为丰富的国家，锑矿开采、冶炼及含锑产品的大量生产和使用导致锑等重金属对生态环境污染已经凸显。但国内外对锑的生物地球化学循环和环境污染效应缺乏系统认识。本研究选取我国具有代表性的四种土壤，利用大型土壤渗滤装置同步平行试验，通过微观吸附解吸机理，宏观的迁移数据和模型相结合，从不同尺度上系统研究了锑在土壤中的生物地球化学行为特征，丰富了土壤锑的基础科学数据，为我国锑的环境管理和修复提供了理论与技术支撑。研究得到的主要结论为：（1）锑在土壤中主要被含铁矿物吸附，铁氧化物含量较高的红壤对锑的吸附远大于其它3种土壤。通过XPS分析发现吸附了锑的红壤中氧元素的结合能（O1s）和铁元素的结合能（Fe2p）降低，表明锑与铁和氧之间存在电子的转移，有化学反应的生成。并且通过XPS实验发现土壤中铁氧化物中的羟基（-OH）官能团起主要作用。（2）锑在不同土壤中的迁移动力学特征存在明显差异。经过4年自然淋溶，外源加入锑在土壤中的迁移速度为：砂土>潮土>黑土>红壤。锑在红壤，潮土，黑土和砂土中的平均残留量分别为：100%，54.6%，62.2%和33.9%，并且外源加入的锑以碳酸盐结合态为主。（3）模拟矿区污染土壤中锑的迁移，两年淋溶结果表明，锑在土柱淋出液中的浓度出现先升高后降低的趋势。锑主要存在于小于0.45 μm的真溶液中，并与有机胶体结合而向下迁移；在植物-土壤-水系统中，植物和水中锑所占的比例极小，而绝大部分锑仍保留在土壤中。锑的迁移受污染土壤中锑的溶解释放、土壤性质和环境因素的影响。（4）土壤中锑的迁移用神经网络模型拟合的结果显示锑在砂土中吸附弱、迁移速度较快；而在红壤中吸附强烈、迁移慢；在潮土和黑土中的吸附和迁移介于前两者之间。对流弥散机理模型可以较好的模拟土壤中锑的迁移，锑的迁移可分为真溶液和胶体结合态的两部分，前者主要受土壤吸附解吸控制，而后者以胶体结合态的形式长距离运移。基于研究成果发表学术论文15篇，并申报发明专利1项。