工业区重金属铅污染对泥灰岩土壤环境工程特性的影响机制及解吸行为研究

为解决工业废水渗滤液中重金属铅(Pb)对泥灰岩土壤的污染问题，研究人员系统研究了Pb在泥灰岩中的吸附-解吸行为及其对土壤工程特性的影响。通过XRD、SEM、TCLP等实验发现，泥灰岩可通过碳酸盐沉淀和阳离子交换(CEC)机制完全吸附100 cmol/kg-soil的Pb，但酸性条件下会释放部分Pb。研究揭示了Pb污染导致土壤渗透系数升高142倍、液限降低至25%的机理，为工业区污染防控提供了关键数据。

　　

随着工业活动扩张，重金属铅(Pb)通过废水和渗滤液进入土壤环境，对生态系统和人类健康构成严重威胁。泥灰岩作为广泛分布于伊朗南部等地区的特殊土壤，因其富含碳酸盐和链状粘土矿物（如坡缕石和海泡石），在污染物吸附方面展现出独特性能。然而，这类土壤同时具有显著的解吸潜力，可能导致污染物二次释放。如何平衡其高吸附能力与环境风险，成为环境岩土工程领域亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，伊朗霍尔木兹甘大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。通过多尺度实验揭示了Pb与泥灰岩的相互作用机制，发现土壤能完全吸附100 cmol/kg-soil的Pb，但在酸性条件下会释放部分污染物。这一发现对工业区污染场地管理具有重要指导意义。

研究采用系列关键技术方法：通过原子吸收光谱(AAS)定量分析Pb吸附量；利用X射线衍射(XRD)鉴定新形成的矿物相；采用扫描电镜(SEM)观察微观结构演变；结合毒性特征浸出程序(TCLP)评估解吸风险；同步测定渗透系数和阿太堡界限等工程参数。所有实验均采用波斯湾北岸Mishan组泥灰岩样本，严格遵循ASTM和EPA标准。

【XRD揭示的矿物相转变】
XRD分析显示，Pb污染导致粘土矿物（坡缕石10.04 ?峰）强度从88 CpS降至51 CpS，同时形成三种新矿物相：碳酸铅矿(PbCO₃)、铅矾(Pb₂O(CO₃))和羟碳铅矿(Pb₄(SO₄)(CO₃)₂(OH)₂)。这些相变证实了碳酸盐沉淀和阳离子交换的协同吸附机制。

【土壤化学特性演变】
pH从9.4降至7.8，但43%的碳酸盐含量有效缓冲了酸度变化。电导率(EC)则随Pb浓度增加而升高，反映溶液中离子浓度增加。

【工程性能的显著改变】
液限从40%骤降至25%，塑限从21%降至14%，土壤分类从CL变为CL-ML。渗透系数激增142倍（3.5×10^-7→4.97×10^-6 cm/s），SEM显示纤维状结构转变为团聚体，形成宏观孔隙是主因。

【解吸行为的浓度依赖性】
TCLP测试显示：5 cmol/kg-soil时解吸率达12.4%，而100 cmol/kg-soil时仅6.99%。低浓度下碳酸盐沉淀主导的吸附更易被酸解吸，高浓度时阳离子交换和矿物通道捕获增强稳定性。值得注意的是，50 cmol/kg-soil以下浓度符合工业用地200 ppm标准。

这项研究系统阐明了泥灰岩对Pb的"双刃剑"特性：一方面，其高碳酸盐含量和特殊粘土矿物赋予卓越的吸附能力，每1%碳酸盐可固定5 cmol/kg-soil的Pb；另一方面，酸性环境可能触发污染物再释放。研究创新性地揭示了工程性能变化与微观结构演变的关联，如渗透性增加与颗粒团聚化的定量关系。

成果对工业区选址和污染修复具有双重指导价值：首先确认泥灰岩可作为天然防渗材料，但需严格控制pH>7.8以防止Pb活化；其次为风险评估提供了精确的浓度阈值（50 cmol/kg-soil）。该研究建立的"矿物相变-微观结构-宏观性能"关联模型，为复杂环境地质材料的污染响应研究提供了新范式。