铬化砷酸铜(CCA)处理木材中潜在毒性元素在巴西层状与砂质土壤中的扩散行为及环境风险研究

本研究针对CCA处理木材中As、Cu、Cr离子向土壤扩散的环境风险问题，通过平面源扩散法和盆栽实验，量化了离子在黏土与砂质土壤中的迁移规律。结果显示Cr(VI)扩散系数达10?12 m2 s?1 ，且在黏土中迁移更显著，揭示了土壤性质对污染物动态的关键影响，为巴西修订CCA使用法规提供科学依据。

　　

在木材防腐领域，铬化砷酸铜(Chromated Copper Arsenate, CCA)因其优异的防腐性能自1970年代起被广泛应用。然而，这种含有砷(As)、铜(Cu)和铬(Cr)的复合防腐剂，正逐渐成为威胁生态环境的"隐形杀手"。尤其令人担忧的是，当CCA处理的木材暴露在自然环境中时，其中的有毒元素可能通过雨水冲刷或直接接触向周围土壤扩散。更严重的是，在特定土壤条件下，相对低毒的三价铬(Cr(III))可能转化为剧毒的六价铬(Cr(VI))，这种转化不仅大幅提高了元素的迁移能力，更使其毒性成倍增加。作为全球重要的农产品出口国，巴西广泛使用CCA处理木材于农业设施，这可能导致有毒元素通过食物链在全球范围内扩散，威胁人类健康。尽管美国、加拿大等国家已限制CCA在居民区的使用，但巴西尚未出台相关禁令，部分原因在于缺乏本土环境条件下的系统研究。

为填补这一研究空白，来自巴西的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了创新性研究成果。研究人员采用平面源扩散法和盆栽实验相结合的策略，系统评估了CCA处理后的松木(Pinus elliottii)和桉木(Corymbia citriodora)在两种典型巴西土壤（黏土和砂质黏壤土）中As、Cu、Cr离子的扩散行为。研究特别关注了土壤理化性质对污染物迁移转化的影响，并通过数学模型计算了各元素的表观扩散系数(Da)。

研究方法的关键在于：采集经1.4%-1.8%CCA处理的木材样本，在控制条件下进行90天的扩散实验；使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)精确测定土壤剖面中元素浓度；基于Fick第二定律建立扩散模型；通过盆栽实验模拟真实环境中的多向扩散过程；分析土壤pH、氧化还原电位(Eh)等参数对Cr价态转化的影响。

土壤和木材表征
研究首先对实验材料进行了系统表征。黏土含41.5%黏粒，比表面积达43.8 m²
g^?1
，显著高于砂质黏壤土(24%黏粒)。这种结构差异直接影响元素吸附能力。木材分析显示，CCA处理使松木和桉木中As、Cu、Cr含量分别提升至自然木材的数十倍。

扩散数学模型
通过建立基于Fick第二定律的扩散模型，研究发现黏土中所有元素的Da值均高于砂质土。Cr(VI)的扩散能力最强(Da≈3.5×10^?12
m²
s^?1
)，其次是As(V)和Cu(II)。这一结果颠覆了传统认知——通常认为黏土会通过吸附作用抑制污染物扩散，但实验显示黏土的高孔隙率反而促进了离子迁移。

土壤和木材表征
盆栽实验的极坐标图表直观显示，Cu(II)在多向扩散中迁移能力最强，其次是Cr(III/VI)和As(V)。值得注意的是，在pH 6.10、Eh 531 mV的黏土中，Cr的价态转化更为活跃，这解释了其异常高的迁移性。相比之下，酸性砂质土(pH 4.55)中Cr主要以Cr(III)形式存在。

结论
这项研究揭示了CCA处理木材在热带土壤环境中的独特扩散机制：黏土虽具有较强吸附能力，但其特殊的结构反而促进了Cr(VI)的迁移；土壤pH和Eh共同调控Cr的价态转化，进而影响整体毒性；木材种类(松木/桉木)对扩散速率的影响小于土壤类型。这些发现对巴西制定CCA使用政策具有重要指导价值——考虑到黏土在农业区的广泛分布，当前无限制使用CCA的做法可能导致长期环境风险。研究团队建议：优先开发硼基等环保型防腐剂替代CCA；建立木材处理区的土壤监测体系；修订NBR10004:2004标准以反映最新科研成果。该研究不仅为热带地区CCA风险评估提供了首个系统数据，更为全球木材防腐剂的环境管理树立了科学标杆。