一、沸石为何成为土壤修复的“良药”?

近些年,沸石作为一种稳定的吸附材料,由于其优异的离子交换性能、吸附性能,在土壤修复中的应用受到越来越多的关注。从化学组成与晶体结构的角度来看,沸石是一种典型的硅铝酸盐,Si-O四面体和Al-O四面体是构成沸石骨架的初级结构单元;在沸石骨架中,其初级结构单元通过共用氧原子,相互连接形成多元环,构成了沸石骨架的次级结构单元;次级结构单元,通过桥联的氧原子,进一步相互连接,可以形成笼形等不同构型的结构单元;笼形的结构单元通过不同的连接、排列方式进一步形成具有独特孔道拓扑结构和尺寸的沸石骨架结构。

沸石的骨架中充满着空腔和孔道,最大孔隙率可达到50%,孔道中常吸附有水分子和可交换的阳离子,甚至阴离子。这些独特的组成和骨架结构使沸石具有良好的阳离子交换容量和表面吸附能力,是一种很好的吸附剂。此外,沸石由于硅铝酸盐构成的骨架具有优异的热稳定性,沸石在被用于土壤修复的过程中,还具有骨架结构稳定、修复效果持久、可适当调节土壤的pH和透气性、对环境友好、无二次污染等优势,对于不同污染物质污染的土壤均有良好的修复效果,具有十分广阔的应用前景。

二、天然沸石可用于土壤修复的优势

在目前全球已发现的四十余种天然沸石中,斜发沸石的储量最为丰富。总体来说,天然沸石的主要成分为硅铝酸盐、水分子、可交换阳离子,还含有少部分杂质元素。几种常见的天然沸石具有成本低,且与其他类型的吸附剂相比热稳定性和耐酸腐蚀性更好的优势;但是与合成沸石相比,其存在化学组成不一致、纯度低等不足。

邓世茂等人提出,沸石的硅铝比,孔径大小,阳离子类型、数量及位置都对其吸附能力有较大影响,可用一定的方法对天然沸石进行调控、改性,进而促进其有效孔道的利用及其离子交换能力的提高。常用的调控处理方法包括离子交换、酸/碱洗和热处理法等。离子交换处理可以改变沸石骨架中阳离子的类型、位置、数量及孔道开放度,显著提高沸石材料的离子交换容量。酸洗可以去除堵塞孔道的杂质,提高空隙率和吸附能力,但是随着处理强度和持续时间的增加,会逐渐消除骨架结构中的阳离子,最终使结构脱铝;碱洗可以改变沸石的孔径和孔容,但高浓度或长时间的碱洗可能带来沸石骨架的脱硅、脱铝。热处理可以脱去沸石孔道中的水分子,增大孔道开放度和有效孔隙体积。

总之,沸石具有比表面积大、阳离子交换容量大、化学稳定性好、机械强度高且储量巨大的特点,是一种很有前景的土壤修复材料。深入系统研究沸石对土壤中不同类型污染物的修复效果、影响因素,从原子级尺度揭示沸石材料在土壤修复中的构效关系及修复机理,构建沸石材料在土壤修复应用过程中的完整的认知科学体系,是未来科学发展的必然。