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不同pH条件下有色冶炼厂周边道路尘及土壤中重金属释放特征

更新时间:2009-03-28

黄石市矿产资源丰富,工业基础雄厚。在原材料工业发展的同时,黄石市的冶炼工业也取得了令人瞩目的成就,蜚声国内外。但是,冶炼过程产生了大量对人体有毒有害的重金属,且多年来一直是环境科学研究的热点。在自然条件下,这些重金属很难被降解,容易通过自然沉降、物理吸附等方式聚集。其次,重金属会通过环境中的各种媒介进行转化和迁移,污染周围的土壤、地表水和地下水[1-4],然后通过物质循环途径进入食物链,对植物和人类造成潜在威胁[5-8]

重金属附着在冶炼过程中产生的微小固体颗粒物上,容易在风等自然条件下扩散,污染周围空气[9-11]。美国环保局(EPA)国家环境评价中心研究与发展办公室根据有关研究提出,儿童通过误食摄入土壤的量为200 mg/d,成人通过误食摄入土壤的量为50 mg/d。土壤中的重金属会通过呼吸系统和消化系统进入且危害人体。然而,有关重金属污染的健康风险研究大多是关注通过“土壤-植物”系统进入人体的重金属总量来判断健康损害的风险度,而忽视了重金属经土壤和街道尘途径对人类健康的影响[11-14]。因此,本文将研究不同pH值对重金属溶解度的影响以及有效性,借此研究其对人体健康的影响。

1 材料与方法

1.1 样品采集及预处理

结合课题组的前期研究结果[15-16],在有色冶炼厂周边的重金属含量较高区域采集道路尘和土壤样品。2016年10月,采集6个土壤样品(S1~S6)和3个地表灰尘(D7~D9)。各采样点的点位信息见表1。

在采样过程中,每采集1个样品前清洗采样铁铲,将动植物的残骸去掉。采集后的样品置于自封口塑料袋内密封,标号后保存。将样品置于实验室内自然风干,用陶瓷研钵研磨,过200目筛(粒径≤75μm),然后装袋密封,标号后保存[17](样品总量大概为300 g)。

 

1 采样点位信息

  

采样点D7D8D9S1S2S3S4S5S6经度(E)114°56′5″114°55′54″114°56′4″114°56′8″114°56′4″114°55′42″114°56′4″114°56′5″114°55′54″纬度(N)30°10′25″30°10′22″30°10′23″30°10′20″30°10′24″30°10′12″30°10′24″30°10′19″30°10′20″

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理

由此可知,道路尘中的重金属在pH=1.0时的释放量最大,在pH=6.8时的释放量最小。由此可以推断,重金属在人体主要部位的释放量大小情况为:胃部酸性>小肠碱性>鼻腔中性,且重金属在酸性条件下的释放量远大于在鼻腔中性及小肠碱性条件下的释放量,约为9~10倍。在鼻腔中性及小肠碱性条件下,除Fe外的其他5种重金属的释放量较为相近,差别不大。在胃部酸性条件下,Cu和Fe的释放量大于Pb和Zn的释放量,且大于Cd和Cr释放量,Cu和Fe的释放量约为Pb和Zn的释放量的2~3倍,而Cd和Cr释放量接近为零。随着释放时间的增加,各重金属的释放量先上升后下降,然后趋于稳定。其中,在鼻腔中性及小肠碱性条件下,重金属含量在释放时间为6 h时达到最大;而在胃部酸性条件下,重金属含量在释放时间为8 h时达到最大。

称取0.20 g道路尘样品,经酸溶法(HCl-HNO3-HF-HClO4)加热消解后,用火焰原子吸收分光光度计(美国瓦里安AA240FS)测其重金属含量[18-19]

道路尘与土壤中重金属含量见表2。道路尘中重金属(Cu,Pb,Cd,Zn,Fe,Cr)含量的平均值分别是3 564.18 mg/kg,662.91 mg/kg,37.40 mg/kg,1 054.44 mg/kg,81 064.19 mg/kg,216.31 mg/kg,分别是背景值的116倍、25倍、220倍、12.6倍、2倍、2.5倍。从表2中可以看出,Cu和Cr在D7处出现最大值。这是由于D7点位于农田附近,农田施肥、施药和灌溉是Cr的主要来源,因而最大值出现在该处。至于Cu的最大值出现情况待后续考究。D9在冶炼厂附近,此处有Pb,Cd,Zn和Fe 4种重金属元素出现最大值,主要来源于工业区的冶炼活动及后续污染。

道路尘中重金属在不同pH条件下的释放规律如图1所示。在图1(a)中,Fe和Cu的释放情况出现交叉变化的现象,当释放时间为8 h时,重金属含量总体上达到最大值,并趋于稳定。从图1(b)中可以发现,除Cu含量在释放8 h后达到最大值以外,其他各重金属含量在释放6 h后达到最大值,然后呈下降趋势。除重金属Fe和Cu含量在释放时间为10 h时趋于稳定外,另外4种重金属的含量则是在释放8 h后就达到稳定状态。在图1(c)中,除重金属Fe含量在释放4 h后达到最大值外,其余5种重金属的含量均于释放时间为6 h时达到最大值,且6种重金属的含量均在释放时间为8 h时达到稳定。

分别称取1.00 g道路尘和土壤样品置于50 mL离心管中,每个释放时间(2 h,4 h,6 h,8 h,10 h,12 h)和每种浸提剂(pH=1.0,pH=8.4和pH=6.8的盐酸溶液)设置3个平行样和1个空白样,以模拟人体鼻腔、小肠和胃部的pH环境[20-21]。离心管于37 ℃条件下静置相应时间(2 h,4 h,6 h,8 h,10 h,12 h)后,经离心分离15 min(3 000 r/min)后,取上清液,测量其中重金属含量[22-24],并取3组平行实验的重金属含量的平均值。

开发文化创意旅游产品含无形的文创产品和有形的文创产品。旅游景区当地的特色与红色历史文化相结合,利用现代科技手段使旅游产品产业化发展,在游客进行体验活动时以赠品形式给予游客,增强游客的满意度,同时,有形的文创产品对旅游景区也起到了一定的宣传作用。无形的文创产品,是依据大别山的红色历史文化通过智慧旅游的手段,设计出来的一系列具有历史感的体验性旅游产品,符合当前大众的消费需求。有形的文创产品,在SCS产品设计与开发中,结合大别山的地域特色和红色历史文化因素并将其设计为大众喜闻乐见的旅游文化产品,即创意旅游纪念品。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量的特征

由于地区自身基础条件等原因,同一产业在不同地区的发展轨迹有显著的差别。本文根据2005~2017年的相关数据,计算出华北、东北、华东、中南、西南和西北各区域6个产业相比前一年的产业动态集聚指数,限于篇幅,本文只列出产业转移趋势明显的产业转移测度值,如表2所示。

土壤中重金属(Cu,Pb,Cd,Zn,Cr,Fe)的平均值分别是1 083.06 mg/kg,669.49 mg/kg,44.04 mg/kg,605.33 mg/kg,165.85 mg/kg,54 032.71 mg/kg,分别是背景值[25]的35.3倍、25倍、259倍、7.2倍、1.9倍、1.4倍。总体来说,采样点处重金属(Cu,Pb,Cd,Zn,Cr,Fe)的含量大小关系为S1,S2,S4>S5,S6>S3。其中,金属Cu和Cr含量最大值出现在采样点S2处,另外4种的最大值则出现在采样点S4处。由于S2和S4 位置很接近,均位于农田及道路周围,并且距离冶炼厂也较近,因而是农田和冶炼活动致使这2处金属浓度出现最大值。

2 道路尘与土壤重金属含量统计 mg/kg

  

采样点道路尘D7D8D9平均值背景值土壤S1S2S3S4S5S6平均值背景值Cu3974.13297.534213564.230.71356.521978.72232.021770.55490.4670.191083.0630.7Pb657.49419.08912.16662.9126.7373.641007.6273.841843.38245.35273.14669.4926.7Cd34.8825.0952.2337.40.1729.2347.3210.35155.68.721344.040.17Zn1036.05938.8111188.451054.4483.6470.061098.46381.551217.36187.76276.76605.3383.6Fe70597.556362.411623381064.23910054767.3466426.4246308.4289614321235068.154032.739100Cr231.37204.86212.7216.3186150.57237.38111.98191.83152.91150.43165.8586

2.2 道路尘中重金属释放规律

1.2.2 重金属释放实验

  

 

1 道路尘中重金属在不同pH条件下的释放规律

2008年黄藻暴发的另一个外在原因,就是全球变暖大背景下的气候变化。3—4月,乌梁素海地区的平均气温比往年高出 3℃~4℃,5—6月仍持续偏高,且干旱少雨,3—5月平均降水量比历年少15.5 mm,比往年减少了68.6%。与气温相反的,却是水温偏低。开湖时间比往年迟20~25天。开湖晚,水温低,使得开春后湖内水草的发芽速度减慢。当水草吸纳营养物质的能力下降之后,湖泊中富营养化物质的浓度就会突然大幅度增高;加之降水偏少,水体无法得到有效稀释,为黄藻暴发提供了必备条件。

季札观周乐,见于《左传·襄公二十九年》。 当鲁之乐工为之歌《唐风》时,他说:“思深哉!其有陶唐氏之遗民乎?不然,何忧之远也?非令德之后,谁能若是?”杜预之注云:“晋本唐国,故有尧之遗风。 忧深思远,情发于声。”孔颖达之疏云:“陶唐之化,遗法犹在。 作歌之民与唐世民同,故察此歌曰:‘思虑深远哉?’见其思深,故疑之云:‘其有陶唐氏之遗民乎?若其不是唐民,何其忧思之远也?非承令德之后,谁能如此深虑也?’令德,谓唐尧也。”[2]2007 注和疏已解释得非常清楚。

2.3 土壤中重金属释放规律

土壤中重金属在不同pH值条件下的释放规律如图2所示。在图2(a)中pH=1.0的条件下,Cu和Fe的含量大于Pb,Zn,Cd,Cr的含量,且Cu,Fe的含量约为Pb,Zn的含量的2~3倍,Cd和Cr的含量接近为零。随着释放时间的增加,各重金属含量先上升后下降,然后趋于稳定。且均在释放时间为6 h时达到最大,在释放时间为8 h时逐渐趋于稳定。在图2(b)中,Fe的含量在整个释放过程中是最高的,变化幅度格外明显,Pb,Zn,Cu,Cd,Cr的含量相对较小,且较为相近。随着释放时间的增加,各重金属的含量先上升后下降,然后趋于稳定,且均在释放时间为6 h时达到最大,在释放时间为8 h时逐渐趋于稳定。在图2(c)中pH=8.4的条件下,重金属的释放规律和pH=6.8的条件下类似。Fe的含量最高,变化最明显,Pb,Zn,Cu,Cd,Cr的含量相对较小且相近。随着释放时间的增加,各重金属的含量先上升后下降,然后趋于稳定,且均在释放时间为6 h时达到最大,释放时间为8 h时逐渐趋于稳定。

由此可知,土壤中重金属在pH=1.0时的释放量最大,在pH=6.8时的释放量最小。因而可以推测,重金属在人体中的释放大小情况为:胃部酸性>小肠碱性>鼻腔中性,且重金属在胃部酸性条件下的释放量远大于在鼻腔中性及小肠碱性条件下的释放量,约为10倍。随着释放时间的增加,Cu,Fe,Pb的释放量先上升后下降,然后趋于稳定,而Zn,Cr,Cd的释放量很稳定,与释放时间的相关性不大。总体上,各重金属元素在3个不同pH条件下的释放量均于释放时间为6 h时达到最大,释放时间为8 h时趋于稳定。

  

 

2 土壤中重金属在不同pH条件下的释放规律

3 结论

有色冶炼厂周边土壤及道路尘中重金属的释放量受pH的影响非常明显,因而可以推断出人体器官的不同pH对道路尘及土壤中重金属具有明显的释放特征。其中,胃部酸性条件对重金属Cu,Fe,Zn,Pb的释放量的影响非常明显,对Cr和Cd的释放量的影响较小。因此,胃部受重金属危害的风险较高。

参 考 文 献

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徐俊,宋佳,刘英,钟萍,蒋雅雪,张丽,张家泉
《湖北理工学院学报》2018年第02期文献

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