摘要：为实现对砷（As）污染土壤的高效修复，利用桉树叶提取液合成纳米铁颗粒悬浊液（EL-nFe），分析其对溶液中As（III）、As（V）的吸附性能，在此基础上利用化学法重点评估其对重度As污染土壤的钝化效果。结果表明，EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附过程符合准一级动力学和Langmuir等温吸附模型，其对As（III）、As（V）的最大吸附量分别为8.08和24.68 mg/g。施加EL-nFe后的土壤As的浸出性和生物有效性显著降低，SPLP-As和KH2PO4提取的生物有效性As分别下降33.26%～52.42%和6.57%～14.21%，同时土壤连续提取的结果显示，EL-nFe促使土壤易溶态As向生物利用率较低的残渣态As转变，提高了土壤As的稳定化程度。因此，EL-nFe对土壤As具有良好的钝化效果，且成本较低，可作为一种良好的修复重度As污染土壤的钝化剂。
关键词：绿色合成;纳米铁;砷;原位钝化
隨着工农业的迅速发展，土壤砷（As）污染已成为社会亟需解决的热点问题。土壤中的As不仅有来自矿物的风化，而且采矿、冶炼、化石燃料的燃烧、含As农药化肥杀虫剂的使用及污水灌溉等人类活动也会使土壤受到不同程度的As污染[1]。由于As在环境中不易被降解，当人类长期暴露于As污染的土壤和水源时，As容易通过食物链进入人体中，从而引发慢性中毒和癌症等严重疾病，因此，当前迫切需要寻求As污染土壤的快速、高效、经济的修复方法。
修复As污染土壤的方法主要包括固化/稳定技术、土壤淋洗技术、电动修复技术、植物和微生物修复技术以及联合修复技术等。其中，原位固化/稳定技术利用降低土壤As的可用部分，即土壤中易迁移、被植物根系吸收利用的易溶态As来达到修复目的[2]，该方法成本低，见效快，易于操作，适合大面积As污染土壤的治理。常用的钝化剂包括铁基材料、氧化锰、氧化铝、黏土矿物和有机物质等，其中，铁基纳米颗粒被证明是一种较好的固定土壤As的钝化材料，以高吸附性能的优势备受关注[3]。传统的纳米铁制备和改性方法存在使用有毒有害物质、合成成本高、产物易氧化易团聚等缺点进而导致其无法应用于大规模原位钝化修复，然而利用植物提取液制备纳米铁便能成功地解决这些问题[4]。当前在绿色合成中，桉树叶的使用较为普遍，其富含有机酸、多酚和黄酮类等化合物，这些物质可以作为还原剂和稳定剂用于合成纳米铁[5]。桉树在中国又是三大造林树种之一，因此该植物资源非常丰富，取材十分方便，是绿色合成纳米铁的廉价可再生原料。 使用植物提取液合成的纳米铁已成功地应用于废水和土壤重金属污染修复。Wu等[5]使用桉树叶提取液合成的纳米铁去除水中的砷，苏炳林等[4]利用红背桂提取液制备纳米氧化铁，并将其用于钝化土壤中的重金属镉。目前，将绿色合成纳米铁应用于修复As污染土壤的报道比较鲜见，因土壤As污染的复杂性和严峻性，开展相关研究具有重要的现实意义。因此，本研究利用桉树叶提取液制备纳米铁（EL-nFe），通过吸附动力学、等温吸附试验阐明EL-nFe对溶液体系中As的吸附性能，在此基础上利用化学法重点评估EL-nFe对重度As污染土壤的钝化效果，以期为As污染土壤的修复治理提供有益途径。
1 材料与方法
1.1 样品的采集与处理
供试土样采集于湖南省石门县鹤山村雄黄矿冶炼厂附近的荒山（29°39′36″N、111°2′24″E），即CK，该土壤As污染主要来自砒霜冶炼，土壤污染严重，植被稀疏，对此类土壤进行稳定钝化是阻断As向下游河流和农田持续运输的必要保障。为了评估EL-nFe对该土壤As的钝化效果，同时采集矿山附近林地土壤作为参考对照（F-CK）。采样过程中取0～20 cm表层土，在室内自然风干后，研磨过2 mm筛备用。土样的基本理化性质见表1。
1.2 纳米铁颗粒悬浊液的制备
参考Wang等[6]建立的制备植物提取液和绿色合成纳米铁的方法进行桉树叶的提取与纳米铁的合成，其材料合成方法略有改进。具体如下：准确量取200 mL桉树叶提取液于500 mL烧杯中，搅拌5 min使其充分混匀，在搅拌的同时向植物提取液中缓慢倒入100 mL 0.1 mol/L FeSO4·7H2O溶液，于室温下剧烈搅拌30 min使其充分反应后，得到EL-nFe颗粒悬浊液，并将其超声30 min以达到颗粒均匀分布，每次要求现制现用。产物EL-nFe为20～80 nm球形纳米铁颗粒，其结构为以多酚为稳定剂的Fe0-氧化铁核壳结构，主要元素为O、C、Fe。经多次反复合成试验验证，该试验条件下可合成约5 g的纳米铁颗粒。
1.3 EL-nFe对溶液中As的吸附性能试验
1.3.1 EL-nFe对溶液中As的吸附动力学试验 为探究EL-nFe对As的吸附动力学过程特征，取3 mL EL-nFe懸浊液分别投加至20 mL初始浓度为50 mg/L的As（III）、As（V）溶液中，同时用3 mL去离子水代替无EL-nFe的对照，每个处理重复3次。将溶液体系于25 ℃恒温条件下进行振荡（180 r/min），分别于0.08、0.17、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、12.00、24.00 h进行取样过滤，利用原子荧光光度计（AFS，LC-AFS6500，北京海光仪器有限公司）测定上清液As浓度，并对EL-nFe吸附As（III）、As（V）的动力学过程进行拟合分析。
1.3.2 EL-nFe对溶液中As的等温吸附试验 为明确EL-nFe对As的等温吸附特征，取3 mL EL-nFe悬浊液分别投加到20 mL初始浓度为1～100 mg/L的As（III）、As（V）溶液中，每个处理设置3个平行样，同时用3 mL去离子水代替无EL-nFe的对照。将溶液体系于25 ℃恒温、180 r/min转速条件下振荡8 h（预试验表明，8 h达到吸附平衡）后取出过滤，利用AFS测定上清液As浓度，并利用Langmuir等温吸附模型对吸附过程进行拟合，计算EL-nFe对As（III）、As（V）的理论最大吸附量。
1.4 原位钝化应用试验
1.4.1 土壤培育 等量称取50 g土壤置于100 mL离心管中，设置0.25%、0.50%、1.00%（w∶w）3个EL-nFe处理，矿山土壤对照（CK）以及附近林地土壤对照（F-CK），每个处理均包含3个平行样。根据土壤持水量，加入去离子水使土壤与EL-nFe悬浊液比达到5∶3，并将其充分混匀。用摇床将离心管以100 r/min转速培育72 h后取出，自然风干并过筛（<2 mm）备用，同时测定土壤pH。
1.4.2 土壤化学分析 采用合成沉降浸出试验（Synthetic precipitation leaching procedure，SPLP，USEPA 1312，1994）评估在酸雨沉降条件下EL-nFe对培育后土壤As和Fe浸出性的影响[7]，并据式（1）计算As的稳定化效率，其中Fe利用原子吸收分光光度计（AAS，Perkin Elmer AAnalyst 900T）测定。采用0.5 mol/L KH2PO4浸提法评估EL-nFe对培育后土壤生物有效性As的影响[7]。利用Wenzel等[8]五步连续提取法明确EL-nFe对培育后土壤As赋存形态的影响。
S=（As0-As1）/As0×100% （1）
式中，S为稳定化效率（%），As0为未钝化处理土壤的SPLP浸出液As浓度（μg/L），As1为钝化处理后土壤的SPLP浸出液As浓度（μg/L）。
1.5 数据处理与统计分析
所有试验数据均用Excel 2013进行整理，利用Origin 2018进行数据图绘制，采用SPSS 25.0分析各处理间的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 EL-nFe对溶液中As的吸附性能
图1a是EL-nFe在吸附过程中对As的吸附量随时间的变化情况。结果表明，在As的初始浓度为50 mg/L时，EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附反应非常迅速，吸附开始的5 h内吸附量增速较快，8 h内已达到吸附平衡，其去除率分别稳定在21%和58%左右。随着吸附时间延长至24 h，EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附量和去除率并未发生明显变化。该吸附过程的拟合结果表明，EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附均符合准一级动力学模型，理论拟合平衡吸附量（4.72和11.52 mg/g）与试验实际得到的最大吸附量（4.86和11.73 mg/g）较为接近，拟合系数R2均等于或超过0.95（表2），表明其吸附反应速率不受吸附剂表面吸附位点数量的限制，仅与溶液中实时As（III）、As（V）浓度呈正比。 图1b是EL-nFe對初始浓度为1～100 mg/L的As（III）、As（V）的等温吸附线，随着溶液中As初始浓度的增加，EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附量逐渐增加，其活性位点逐渐趋于饱和，且对二者的吸附过程均符合Langmuir等温吸附模型，拟合系数R2超过0.93（表2），表明EL-nFe对As（III）、As（V）的吸附机制近似为均匀介质表面的单层吸附。同时，利用Langmuir等温吸附模型拟合得到的EL-nFe对As（III）、As（V）的理论饱和吸附值分别为8.08和24.68 mg/g，且As（V）>As（III），高于一系列典型的无机As吸附剂，例如工程生物炭、黏土矿物和金属氧化物等。这表明EL-nFe对土壤溶液中的无机As具有高效吸附能力，可用于土壤As的原位钝化，从而降低土壤As的环境迁移性和生物有效性。
2.2 EL-nFe对土壤As的钝化效果
2.2.1 EL-nFe对土壤pH的影响 土壤pH是影响土壤重金属生物有效性的一个重要因素，对重金属在土壤中的赋存形态、迁移转化等方面发挥着重要作用。由表3可知，土壤pH随着EL-nFe添加量的上升而逐渐降低，与CK相比，分别下降0.32、0.48、0.59个单位，且不同处理之间差异显著。这可能是由于桉树叶提取液富含有机酸、多酚和黄酮类等化合物[5]，导致生成的EL-nFe颗粒悬浊液呈酸性（pH 3.05），造成土壤pH下降。由于供试土壤呈弱碱性，EL-nFe悬浊液的加入在一定程度上改善了碱性土壤，带正电的土壤胶体可能增加，这利于吸附更多的As离子[9]。
2.2.2 EL-nFe对土壤As、Fe浸出性和生物有效性As的影响 SPLP试验是用来评估土壤中重金属在酸雨沉降条件下的短期浸出特性，EL-nFe按不同比例添加到土壤中后，各处理土壤As的浸出性如图2a所示。结果表明，不同添加比例的EL-nFe处理使该土壤As浸出浓度由37.18 μg/L分别下降至24.81、22.14和17.69 μg/L，接近于附近林地土壤水平（13.99 μg/L），同时在酸性浸提条件下，EL-nFe对该土壤As的稳定化效率为33.26%～52.42%。EL-nFe对该土壤的高效稳定可能有以下几个原因：①EL-nFe的添加降低了该土壤的pH，带正电的土壤胶体增加，有利于该土壤As的稳定化[9];②EL-nFe具有较高的比表面积，使nFe能够与土壤溶液中的As充分接触而发生高效吸附反应;③EL-nFe可能与土壤中As离子发生沉淀或共沉淀作用，形成不易迁移和毒性较低的铁砷次生矿物[9]。
磷酸盐浸提法已被证明可有效地从污染土壤中提取不稳定态As来进行重金属As的生物有效性研究[7]。图2b反映的是EL-nFe对土壤中有效性态As含量的影响。数据显示，EL-nFe处理显著降低了该土壤As的生物有效性，其变化趋势与SPLP提取As的变化总体上是一致的，与CK相比，下降了6.57%～14.21%，由此可见，EL-nFe处理可有效降低该土壤As的生物可利用性。但同时发现EL-nFe处理土壤的生物有效性As还远高于F-CK，因此，为进一步降低该土壤As的生物有效性，后续试验可以尝试加大EL-nFe的应用比例，或者采用EL-nFe与蜈蚣草等As超富集植物进行联合修复，以期加快实现该土壤的植被恢复。
图2a反映的是EL-nFe的添加对土壤Fe浸出性的影响。由图2a可知，EL-nFe处理和未处理土壤样品的Fe浸出浓度差异不显著，这表明EL-nFe在原位钝化该土壤As的同时，并未发现因为EL-nFe的施加而导致土壤易溶态Fe的增加， 这可能是土壤pH的影响，与Gil-Díaz等[10]的研究结果一致，在一定pH条件下有利于Fe在难溶性盐中的沉淀。同时有研究表明，当土壤中Fe浓度>300 mg/L时才会对植物的生长产生抑制作用[11]，本研究中不同EL-nFe处理下土壤Fe浸出浓度均在1 mg/L以下，因此并不会产生铁毒作用。
2.2.3 EL-nFe对土壤As赋存形态的影响 重金属在土壤中的赋存形态是决定重金属环境行为及其生态效应的重要因素。表4呈现的是EL-nFe对土壤As赋存形态的影响，在本研究中，连续提取的5种（F1、F2、F3、F4、F5）结合态As 浓度占总As百分比分别为0.45%～0.76%、13.17%～16.73%、41.89%～42.78%、20.17%～24.24%和16.37%～23.44%，其中，F3、F4和F5结合态As占土壤总As比例较大，这说明As在该土壤中主要以结晶或弱结晶的水合铁铝氧化物结合态和残渣态的形式存在。从这个意义上来讲，该土壤As的迁移行为似乎主要受与介质结合程度较弱、对环境存在较大风险的F1和F2结合态As所控制。EL-nFe处理使该土壤F1+F2结合态As显著下降，与CK相比，分别下降10.27%、13.55%和21.02%，而使F5残渣态As显著上升，分别上升18.73%、31.37%和45.29%，同时F3结合态As也略有增加，这说明EL-nFe将该土壤中部分活性较高的易溶态As转化为低迁移性、低毒性的残渣态As，提高了土壤中As的稳定化程度。
3 小结与讨论
1）EL-nFe对溶液中As（III）、As（V）具有较好的去除效果，在吸附开始的8 h内达到吸附平衡，该过程符合准一级动力学和Langmuir等温吸附模型。EL-nFe对As（III）、As（V）的最大吸附量分别为8.08和24.68 mg/g，且As（V）>As（III），因此，EL-nFe在修复以氧化态As（V）为主的旱土As污染中具有重要应用潜力。
2）EL-nFe处理降低了土壤pH，在一定程度上可增加土壤胶体表面的正电荷，这有利于土壤As的稳定化。 3）EL-nFe对土壤As表现出良好的钝化效果，可有效降低土壤As的浸出性和生物有效性。同时，EL-nFe的添加并未出现易溶态Fe的释放，不会对植物产生铁毒作用。
4）EL-nFe使土壤As由迁移能力较强、对环境存在较大风险的易溶态As向低迁移性、低毒性的残渣态As转变，提高了土壤As的稳定化效果。
综上所述，EL-nFe具有环境友好和成本可控的特点，对水溶液中的As具有较高的吸附性能，且对土壤As具有良好的钝化效果，初步证明EL-nFe可作为一种良好的修复重度As污染土壤的钝化剂。
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