地理优势土壤（古土壤与黄土）对Cu2+ 污染的地球化学修复及频谱激电监测研究

针对工业活动导致的Cu2+ 污染难题，研究人员利用中国广泛分布的古土壤与黄土，结合频谱激电（SIP）实时监测技术，揭示了其通过方解石溶解驱动Cu2+ 水解沉淀（1.49–1.72 mmol/g吸附量）的高效修复机制。该研究为低成本、低碳排放的重金属污染治理提供了可持续解决方案，并验证了SIP在污染屏障动态追踪中的可靠性。

　　

铜（Cu²⁺
）污染是中国乃至全球面临的严峻环境问题。作为能源和制造业的重要原材料，铜的开采和加工导致大量含铜酸性废水排放，43%的矿区铜浓度超过安全标准（GB 15618 I级限值35 mg/kg），引发神经系统损伤等健康风险。传统修复技术如活性炭吸附虽有效，但成本高昂且难以规模化应用。与此同时，中国广泛分布的古土壤和黄土因富含碳酸钙（CaCO₃
）和独特的结构特性，展现出潜在修复优势，但其作用机制与工程适用性尚未系统评估。此外，现有污染监测技术（如钻孔取样）存在破坏性强、时效性差等缺陷。

针对上述问题，浙江大学团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，通过突破性实验与多尺度表征技术，揭示了古土壤和黄土对Cu²⁺
的高效固定机制，并创新性地引入频谱激电（Spectral Induced Polarization, SIP）技术实现修复过程实时监测。研究发现，两种土壤的Cu²⁺
吸附量（古土壤1.49 mmol/g，黄土1.72 mmol/g）显著优于商业材料（如活性炭和生物炭），且修复过程以方解石溶解驱动的Cu²⁺
水解沉淀为主，镁离子（Mg²⁺
）交换为辅。SIP监测中归一化电荷率（m
_n
）与Cu²⁺
吸附量强相关（R²

0.77），证实其可作为污染屏障动态评估的非侵入工具。

关键技术方法
研究采用陕西泾阳台地的古土壤（12 m深度）和黄土（5 m深度）样本，通过柱实验模拟污染渗透过程，结合扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和压汞孔隙仪（MIP）分析微观机制，并利用PHREEQC软件进行地球化学建模。SIP监测在0.01–10,000 Hz频率范围内采集阻抗数据。

研究结果

1. 微观表征：SEM-EDS显示Cu²⁺
   处理后土壤表面出现铜沉淀物（图1c, d），XRD和XPS证实含铜矿物（如孔雀石）生成，MIP揭示孔隙结构变化支持沉淀主导机制。
2. 地球化学模型：PHREEQC模拟显示方解石溶解提升pH值，促使Cu²⁺
   转化为Cu(OH)₂
   和碳酸盐沉淀，饱和指数分析进一步验证此路径。
3. SIP监测：归一化电荷率（m
   _n
   ）与Cu²⁺
   吸附量线性相关，特征频率（f
   _c

）反映污染物-矿物聚集体尺寸变化。
4. 经济与环保评估：古土壤和黄土的成本（0.03–0.05美元/kg）和全球变暖潜能（GWP）均低于商业材料，凸显其可持续性优势。

结论与意义
该研究证实古土壤和黄土通过方解石溶解-沉淀路径高效固定Cu²⁺
，其性能、成本和环保优势使其成为可渗透反应屏障（PRB）等工程应用的理想材料。SIP技术的成功应用为污染修复系统提供了实时、非侵入的监测手段，解决了传统方法的时空分辨率局限。研究成果为全球重金属污染治理提供了兼具科学严谨性和工程可行性的解决方案，尤其适用于中国等发展中国家的大规模环境修复需求。