Nature發文土壤修復新工藝，XRF分析證明無損土壤品質

　　現有土壤修復處理時間長，污染物多樣化，處理技術缺乏通用性。因此，來自休斯頓萊斯大學的研究者們設計了一種可快速修復土壤中多種污染物的高溫電熱工藝。通過脈沖直流電輸入，使污染土壤在幾秒鐘內升至1000到3000°C，從而使鎘、汞、鉛、鈷、鎳和銅等重金屬氣化，并使多環芳烴等持久性有機污染物石墨化，同時還能使土壤肥沃并提高發芽率，這種技術相對于土壤清洗和熱解吸技術，成本更低。目前，這項成果已發表于國際學術期刊《Nature Communications》中。

　　（圖1：用于土壤修復的高溫電熱工藝 (HET) 概念）

　　在 HET 過程中，干土與導電添加劑混合，以確保良好的導電性。幾秒鐘內輸入的高壓脈沖可將土壤溫度控制在1000至3000 ℃（圖1a）。在這種高溫下，重金屬被碳熱還原并汽化（圖1b），然后可以通過傳統熱脫附技術中的蒸氣提取管道（圖1a）收集重金屬蒸氣，同時高溫可破壞持久性有機污染物，例如多環芳烴被碳化成石墨（圖1b）。

　　（圖2：通過汽化去除土壤中的有毒重金屬）

　　a 代表性重金屬和碳的蒸汽壓力-溫度關系。紅色虛線表示溫度為3000 °C。b 代表性重金屬從土壤中的去除率隨HET電壓的變化而變化。c 重金屬在 100 V電壓下的去除率。重復電脈沖后土壤中(d) Cd、(e) Hg、(f) Pb、(g) Co、(h) Ni 和 (i) Cu 的重金屬含量。很明顯，在100V電壓下，6種重金屬的去除率均大于80%，且在重復電脈沖后，土壤中的濃度明顯下降到安全值限下。

　　（圖3：通過石墨化去除土壤中的多環芳烴）

　　a 受芘污染的土壤和經過重復高溫電熱（HET）脈沖后的土壤提取物紫外光譜。b 芘在土壤中的含量隨重復高溫電熱脈沖的變化而變化。c 受芴污染的土壤和經過重復高溫電熱脈沖后提取物的紫外可見吸收光譜。d 土壤中芴的含量隨重復HET脈沖的變化而變化。e 受苯并[a]蒽污染的土壤和土壤提取物在重復HET脈沖后的紫外可見吸收光譜。f 土壤中苯并[a]蒽的含量隨重復HET脈沖而變化。

　　芘的紫外可見光譜在319納米和333納米處顯示出兩個特征峰（圖3a）。隨著電脈沖的增加，這些峰的強度逐漸降低（圖3a）。經過 3 次電脈沖后，芘的濃度降到2300ppm以下。同樣，芴在299納米處有一個特征吸附峰，在HET之后，其強度大大降低（圖3c），3 次電脈沖之后，芴濃度降至2700ppm以下（圖3d）。苯并[a]蒽也出現同樣的結果（圖3e、f），證明了這一技術的通用性。苯并[a]蒽的PRG很低，僅為0.62ppm，在3個電脈沖之后就超出了紫外可見分光光度法的檢測極限（圖3f）。在這種情況下，采用氣相色譜-質譜法（GC-MS）進行定量，檢測限低至 0.001ppm，而經過6次電脈沖后，苯并[a]蒽的含量降至PRG以下（圖3f）。

　　（圖4：HET 處理后的土壤特性）

　　a 原始土壤和經處理土壤的土壤類型（基于粒徑）：粘土（<2 2-50="">50μm）。b 原始土壤和 HET 處理土壤的 XRD 圖樣。三角形和圓點分別表示石英和方解石。c XRF 測量的原土和 HET 處理過的土壤中金屬氧化物成分的百分比。d 原始土壤和 HET 處理過的土壤在t=0分鐘（左）和 1 分鐘（右）時的滲水試驗圖片。e 原始土壤和 HET 處理過的土壤的液面隨時間變化。f 未加工土壤和HET處理過的土壤水滲透率的單個數據點方框圖。g 西蘭花在原土和 50%處理過的土壤上生長的圖片。h 使用原土和 HET 處理過的土壤（添加或不添加蛭石）種植西蘭花的萌發率。i HET過程中可交換的土壤養分含量變化。c0 和 c 分別為原土和 HET 處理過的土壤中的養分濃度。

　　與原始土壤相比，處理過的土壤沙粒成分略高，這主要是由于HET過程中土壤聚集所致（圖4a）。通過X射線衍射 (XRD) 鑒定了原土和處理后土壤的主要晶體成分，其中SiO2和CaCO3是原土的主要晶體成分（圖4b）。經過HET處理后，SiO2仍然很突出（圖4b），而方解石則不存在，這可能是由于方解石受熱分解成氧化鈣所致。通過X射線熒光 (XRF) 對處理后土壤的主要成分進行了進一步量化，結果顯示各種氧化物幾乎沒有發生變化（圖4c）。上述分析表明，除了污染物的去除，經過HET處理的土壤的形態、顆粒大小和礦物成分幾乎沒有發生變化。植物實驗結果表明，處理過的土壤的發芽率都比原土高出20%至30%（圖4h），這表明 HET 過程可能會促進植物生長。