利用TiO?改性的磁性海泡石（MMSep@TiO?）去除严重污染土壤中的镉：性能及可能的作用机制

《Journal of Environmental Economics and Management》：Removal of Cd from severely contaminated soil by TiO 2 modified magnetic sepiolite (MMSep@TiO 2): The performance and possible mechanisms

本研究制备了TiO2修饰磁性蒙脱石（MMSep@TiO2）用于镉污染土壤修复，通过优化时间和用量等条件，其吸附机制包括表面羟基配合、静电吸引及离子交换，柠檬酸和pH调节可提升去除效率至58.19%，再生后回收率超90%，展现出高效、稳定、可重复使用的特性。

　　本研究探讨了一种新型的磁性修复剂——TiO?修饰的磁性蛇纹石（MMSep@TiO?）在镉污染土壤中的应用。镉作为一种常见的重金属污染物，主要来源于人类活动，如采矿、工业生产以及过量使用化学肥料和农药等。这些活动导致镉进入土壤，进而被农作物吸收，最终可能通过食物链进入人体，引发一系列健康问题，包括骨骼和器官损伤、肾功能衰竭、肺炎和癌症等。因此，开发高效、经济且可持续的镉污染土壤修复技术具有重要的现实意义。

目前，化学固定化是一种被广泛应用于重金属污染土壤修复的方法。这种方法通过改变土壤的化学环境，使重金属离子与土壤颗粒发生反应，从而降低其生物可利用性。然而，这种方法的一个主要缺点是，一旦环境条件发生变化，被固定的重金属可能会重新释放到环境中，造成二次污染。为了克服这一问题，磁性纳米材料因其能够通过外部磁场实现高效分离而受到关注。其中，纳米Fe?O?作为一种常见的磁性材料，因其良好的可回收性和成本效益被广泛应用于重金属污染修复。然而，纳米Fe?O?在土壤修复过程中也存在一些挑战，如容易发生团聚、氧化以及在酸性环境中溶解，这些都会影响其修复效率和磁性性能。

为了解决纳米Fe?O?在土壤修复中的上述问题，研究者们尝试将其负载在具有多孔结构和高比表面积的天然矿物载体上，如蛇纹石（Sep）。蛇纹石是一种富含镁的水合硅酸盐黏土矿物，具有良好的热稳定性和化学稳定性，同时其独特的纤维结构也有助于提高纳米颗粒的分散性。通过化学共沉淀法，可以将纳米Fe?O?均匀地分散在蛇纹石骨架上，从而形成磁性蛇纹石（MMSep）。这种材料不仅保留了蛇纹石的物理特性，还赋予其磁性，使其能够在修复后通过磁场实现高效回收。

然而，即使在蛇纹石骨架上分散了纳米Fe?O?，其仍然存在氧化和在酸性环境中溶解的问题。为了进一步提高其稳定性，研究者们采用水解-沉淀法在磁性蛇纹石表面覆盖一层TiO?纳米层，形成TiO?修饰的磁性蛇纹石（MMSep@TiO?）。TiO?作为一种广泛研究的涂层材料，具有非毒性、生物相容性和结构稳定性等优点，已被广泛应用于医学、化学和环境领域。此外，TiO?在水处理过程中也表现出优异的镉离子吸附能力。因此，TiO?的引入不仅可以保护纳米Fe?O?免受氧化和溶解，还可以增强其表面吸附能力，从而提高整体的修复效率。

本研究的目的是评估MMSep@TiO?在镉污染土壤中的修复性能，并探索其在不同环境条件下（如修复时间、修复剂用量、初始土壤pH值以及柠檬酸添加）对镉去除的影响。实验结果表明，使用2%的MMSep@TiO?（以土壤质量为基准）可以在28天内去除严重污染土壤中42.65%的镉（初始镉含量为12 mg/kg，pH值为7.74）。进一步地，当添加7.5 mmol/kg的柠檬酸并调节土壤pH至4时，镉去除率分别提高至54.54%和58.19%。这说明柠檬酸作为一种环境友好型激活剂，能够有效促进镉在土壤中的释放，并将其转化为更容易被吸附的形式。

在吸附行为的研究中，MMSep@TiO?的吸附过程符合伪二级动力学模型和Langmuir等温模型，表明其吸附过程主要由化学吸附主导，并且吸附位点具有一定的饱和性。这表明MMSep@TiO?在吸附镉离子时具有较高的选择性和效率。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究者们进一步揭示了MMSep@TiO?在水溶液中对镉的吸附机制。这些分析结果表明，镉的吸附主要通过表面羟基络合、静电吸引、离子交换以及可能的晶间扩散和沉淀等机制实现。

在土壤修复过程中，水作为主要的介质，促进了MMSep@TiO?与土壤之间的物质交换和传输。因此，理解其在水中的吸附行为对于评估其在土壤中的修复效果至关重要。此外，由于土壤环境的复杂性，研究还探讨了其他可能的修复机制，如化学沉淀、络合反应和生物吸附等。这些机制共同作用，使得MMSep@TiO?在土壤修复中表现出良好的综合性能。

为了验证MMSep@TiO?的可重复使用性，研究还进行了再生实验。实验结果表明，MMSep@TiO?在修复后仍能被有效回收，回收率超过90%，并且其磁性和吸附性能在多次使用后仍保持良好。这表明MMSep@TiO?不仅具有高效的镉去除能力，还具备良好的循环利用潜力，为长期土壤修复提供了可行的解决方案。

综上所述，MMSep@TiO?作为一种新型的磁性修复剂，在镉污染土壤的修复中表现出优异的性能。其结构稳定、比表面积大、磁性持久且具有较长的使用寿命，使其成为一种具有广泛应用前景的修复材料。此外，其在修复过程中表现出的高效吸附能力和良好的可回收性，也为实现可持续的土壤修复提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索MMSep@TiO?在不同土壤类型和污染程度下的适用性，并评估其在实际环境中的修复效果。同时，还可以结合其他修复技术，如生物修复和植物修复，以提高整体的修复效率和效果。