0 引言

所有的金属元素都有潜在毒性[1]，尽管很多金属元素都是生物体生长所必须的。重金属因为其高毒性已经得到了广泛的关注[2-4]；而钠、钾、钙等在生物体生长过程中有重要作用的常规金属或轻金属，当其浓度超过一定值时，也会对有机体产生毒性作用[5]。随着社会的快速发展，锂、铷等稀有金属元素由于其优良的性能而得到了广泛的开发和应用。虽然普遍认为锂和铷不属于常规意义上的污染源，但也有研究表明它们的过度排放同样会给水体环境造成潜在的生态安全威胁[6]。

不同的水底沉积矿物与金属离子间的相互作用会极大影响金属元素在水体和矿物间的迁移和分配规律[7]。矿物吸附金属离子的特性使得它们可以天然地作为一种吸附材料[8-9]。钾长石对生活污水中的磷有较好的吸附效果[10]；酸改性后的高岭土可有效捕集水中的铅、锌、铜等重金属离子[11]。此外，钾长石、钠长石、高岭土等对铀等放射性元素也存在一定的捕集作用[12]。还有研究者考察了蒙脱石和高岭石吸附锂的基本特征，为研究地质风化过程中的锂同位素分馏提供了参考[13]。总体来看，各种天然矿物对重金属和放射性金属的吸附特性得到了广泛研究，而它们与锂、铷等稀有轻金属元素的相互作用还少有研究。鉴于此类研究对揭示稀有轻金属元素对天然水体潜在的污染规律、考察地质条件和水质条件对稀有元素在水体和矿物间的迁移和分配规律有借鉴价值，因此本文拟展开这方面的探索。

本文以含锂、铷的青海省马海湖区地表水系统为参照，选取4种常见的典型沉积矿物[14]（钾长石、钠长石、高岭土、石英）与含锂、铷的模拟溶液进行捕集实验，分析不同条件下锂、铷在水体和沉积矿物之间的迁移和分配规律。通过研究，可以了解不同矿物捕集锂、铷的基本特征，为消除潜在的稀有轻金属污染提供参考依据。

1 材料与方法

实验所用药品包括氯化锂（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）、氯化铷（分析纯，山东西亚化学工业有限公司）、盐酸 （优级纯，济南永茂化工有限公司）、硝酸（优级纯，济南永茂化工有限公司）、Milli-Q超纯水（电阻率18.2 MΩ·cm），以及钾长石、钠长石、高岭土、石英（工业级，河北环美矿产建材有限公司）。

交往过程中的游戏习作，生生互动，师生互动，能调动学生习作积极性，增强习作兴趣，提高习作质量。老师在游戏前注重方法指导，关注游戏后的总结，学生的习作水平定会提升。

由图1、图2可以看出，接触时间对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响趋势基本一致。实验刚开始的一段时间内锂和铷主要存在于水体中。之后随着时间的增加，锂和铷由于受到钾长石、钠长石的捕集作用而迅速迁移到矿体表面，钾长石和钠长石对锂和铷捕集作用分别在约330和360 min时达到最大，此后由于锂和铷存在一定的解吸作用而使沉积物对它们的捕集作用略有下降。高岭土对锂和铷的捕集效果在约90 min达到最佳。石英对锂和铷的捕集作用随时间先增大后趋于稳定，但整体较低。

pH值的增大先缓慢增加后基本保持稳定，但整体看来，pH值对锂和铷在水体和石英间迁移规律的影响不大。

总体来看，4种矿物中，钾长石和钠长石对锂和铷的捕集作用最强，其次是高岭土，石英最低。这是因为，长石类和粘土类矿土本身的孔隙率和比表面积要大于石英等粉砂类矿物；此外，研究表明酸处理只能破坏矿土中的Al-O结构，而不能改变其中的Si-O结构[15]，所以用酸处理后的钾长石、钠长石、高岭土要比石英有更大的比表面积和更高的孔隙率，其对锂和铷的吸附捕集效果自然也更好。由此可见，长石类和粘土类的水体沉积物比粉砂类的沉积物更能影响锂、铷等稀有元素在水体中的迁移规律。

2 结果与讨论

2.1 接触时间对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响

接触时间对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响结果见图1和图2。

  

图1 接触时间对不同矿物捕集锂的影响

  

图2 接触时间对不同矿物捕集铷的影响

所用仪器为超声处理器（KQ3200E，昆山市超声仪器有限公司）、高速离心机（SIGMA 3K15，上海楚柏科技有限公司）、恒温磁力搅拌器（90-1B，上海司乐仪器有限公司）、原子吸收分光光度计（TAS-990，北京普析通用仪器有限公司）和pH计（雷磁PHS-3E,上海康仪仪器有限公司）。

在pH值 ＝7时，取0.5 g不同种类的矿物加入100 mL含锂、铷的溶液中，在25℃下用磁力搅拌器搅拌不同时间，搅拌完成后将混合物放入离心机离心分离，取上清液用原子吸收分光光度计测上清液中锂、铷的含量，考察接触时间对不同矿物捕集锂、铷的影响。按照上述实验方法，分别改变溶液的pH值、矿土质量，考察不同条件下pH值、水岩比对矿物捕集锂、铷的影响。捕集量由溶液中锂、铷质量的变化量与矿物质量的比值确定。

研究表明，当pH值＜pHPZNPC值时矿物表面主要发生质子化反应[16]，此时不利于金属离子吸附在矿物表面，而随着pH值增大，质子从基体中脱离创造了新的交换位，有利于金属离子吸附到矿物表面。但不同学者采用不同方法测定的不同地方矿物的pHPZNPC值差异很大，不同反应体系中矿物的pHPZNPC值也存在很大差异[17]。此外，根据粘土矿物表面选择交换吸附阳离子规律[18-20]，H+的存在也会极大阻碍锂和铷吸附到矿物表面。因此在酸性较强时，矿物对锂和铷的捕集作用较低。而当pH值＞8时，矿物表面发生去质子化反应产生H+，与锂和铷之间形成吸附竞争导致矿物对二者的捕集作用下降。

2.2 pH值对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响

pH值对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响结果见图3和图4。

水岩比对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响结果见图5、图6。由图5、图6可以看出，开始时，随着水岩比的增加，钾长石、钠长石、高岭土对锂和铷的捕集作用逐渐增强，此时溶液中锂、铷离子强度应是影响捕集作用的主要因素；当水岩比达到200 mL/g左右时，随着水岩比的继续增大，钾长石、钠长石、高岭土对锂和铷的捕集作用基本趋于稳定，这说明此时沉积物的量应是影响捕集效果的主要因素。综合考虑确定实验条件下钾长石、钠长石、高岭土捕集锂和铷的最佳水岩比为200 mL/g。而石英对锂和铷的捕集性能整体较低，且随水岩比变化不大，这是因为石英本身表面吸附容量低、比表面积小、孔隙率低，且不能通过酸改性破坏它的Si-O结构[21]从而增大其比表面积和孔隙率。

  

图3 pH值对矿物捕集锂的影响

  

图4 pH值对矿物捕集铷的影响

捕集实验开始前，对1 g矿物用50 mL 0.5 mol/L的HCl超声清洗处理3次，每次30 min，烘干后研磨筛分，取粒径范围在74.2～92.7 μm的矿土储存待用。采用如下步骤考察锂、铷在不同水质的水体和不同种类的矿物间迁移和分配的规律。

通过对2018年高考Ⅰ卷理综生物学试题的深入分析，不难发现高考试题更加注重对学生学科核心素养的考查。这就要求在高中生物学课堂教学中，关注学生学习过程中的实践经历，引导学生主动参与、主动思维、主动探究，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养学生创新精神，进而用科学的观点、知识、思路和方法，探讨或解决现实生活中的某些问题，帮助学生形成积极的科学态度，养成科学思维的习惯，提升学生的思维品质水平，充分发挥生物学的学科特点和育人价值。

天然水体大多不会表现出图3、图4所示的强酸碱性质，但图3、图4也在一定程度上揭示出了酸碱性对锂、铷向不同矿物上迁移的影响规律，即在中性和弱碱性水质条件下，长石类和粘土类沉积矿物对锂和铷等稀有元素有较强的捕集能力，对它们的水迁移能力影响较大。

2.3 水岩比对锂、铷在水体和矿物间迁移和分配规律的影响

采用SPSS 18.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

  

图5 水岩比对矿物捕集锂的影响

  

图6 水岩比对矿土捕集铷的影响

以上研究表明，水体中沉积物的量在一定范围内会显著影响锂、铷等稀有元素在水体中的迁移能力，但当沉积物的量达到某一值时，这一因素的作用将会变小。

3 结论

（1）4种矿物中，钾长石和钠长石对锂和铷的捕集作用最强，可达80 mg/g以上；高岭土次之，为50 mg/g以上；石英对二者的捕集能力最弱，不足20 mg/g，且随pH值和水岩比变化不大。因此，长石类和粘土类的水体沉积物比粉砂类的沉积物更能影响锂、铷等稀有元素在水体中的迁移规律。

由于选煤厂入洗原煤泥化现象严重，降低了设备处理能力，洗水浓度达300 g/L，严重影响经济效益。主要表现在以下几点：

（2）对pH值的考察结果表明pH值为7～8时，钾长石、钠长石、高岭土对锂和铷捕集效果较其他pH值显著提高，这说明在中性或弱碱性水体中锂、铷等可溶性稀有元素向沉积物迁移的倾向较大。

避嫌，怕人说闲话，也是古往今来廉政官员的“标配”，他们爱惜羽毛，珍重名誉，谨言慎行，有所不为。于谦有《入京诗》一首:“绢帕蘑菇与线香, 本资民用反为殃; 清风两袖朝天去, 免得闾阎话短长。”代表了许多廉洁官员的心声，正是靠了“怕人说闲话”的念想，他们拒绝诱惑，不谋私利，守身如玉，初心不改。这也就是《菜根谭》说的那个意思：“一点不忍的念头，是生民生物之根芽；一段不为的气节，是撑天撑地之柱石。”

（3）水体中沉积物的量在一定范围内会显著影响锂、铷等可溶性稀有元素在水体中的迁移能力，本实验条件下矿物捕集锂和铷的最佳水岩比约为200mL/g。

[参考文献]

[1]MEMON A R,SCHRODER P.ImplicationSOf metal accumulation mechanisms to phytoremediation[J].Environmental science & pollution research,2009,16(2):162-175.

[2]SINGH R,TRIPATHI R D,DWIVEDI S,et al.Lead bioaccum ulation potential of an aquatic macrophyte Najas indica are related to antioxidant system[J].Bioresource technology,2010,101(9):3025-3032.

[3]ADKI V S,JADHAV J B,BAPAT V A.Nopalea cochenillifera,a potential chromium(VI)hyperaccumulator plant[J].Enviro nmental science & pollution research international,2013,20(2):1173-1180.

[4]WANG Chao,LU Jie,ZHANG Song-he,et al.EffectSOf Pb stresSOn nutrient uptake and secondary metabolism in submerged macrophyte Vallisneria natans[J].Ecotoxicology & environmental safety,2011,74(5):1297-1303.

[5]MARSCHNER P.Marschner's Mineral Nutrition of Higher Plants.Second Edition[M].Beijing:Science Press,2013.

[6]XING Wei,WU Hao-ping,HAO Bei-bei,et al.Metal accumulation by submerged macrophytes in eutrophic lakes at the watershed scale[J].Environmental science & pollution research,2013,20(10):6999-7008.

[7]王 敏,甘志永,汤大山,等.生活垃圾填埋场地下水典型重金属污染物迁移演化规律研究[J].环境科技,2015,28(6):30-33.

[8]李 晶,尹小龙,张 虹,等.天然矿物材料处理重金属废水研究进展[J].能源环境保护,2012,26(2):5-8.

[9]韩润平,宋建梅.活性氧化铁/石英砂吸附剂去除水体中的重金属[J].江苏环境科技,2000,13(3):11-12.

[10]莫德清,段钧元,张 倩,等.钾长石作为吸附材料在去除废水中磷的应用:CN103910404A[P].2014-07-09.

[11]胡志勇,何少华,尹 萌,等.高岭土吸附废水中的重金属[J].矿业工程,2007,5(3):60-62.

[12]谢 鲁.钠长石、钾长石、高岭土对铀的吸附行为研究[D].衡阳:南华大学,2012.

[13]吴雅琴,赵志琦.高岭石和蒙脱石吸附Li+的实验研究[J].矿物学报,2011,31(2):291-295.

[14]成怀刚,张云云,程芳琴,等.不同矿泥对氯化钾浮选分离的影响及相图表征[J].盐业与化工,2016,45(8):14-17.

[15]翟由涛,王 峰.酸改性粘土矿物处理含磷废水的研究[J].环境科学与技术,2011,34(9):174-177.

[16]吴宏海,刘佩红,高 嵩,等.高岭石水溶液的界面反应特征[J].地球化学,2005,34(4):106-112.

[17]GANOR J,CAMA J,METZ V.Surface protonation data of kaolinite-reevaluation based on dissolution experiments[J].Journal of colloid & interface science,2003,264(1):67-75.

[18]STRAWN D G,BOHN H L，O’CONNOR G A.Soil Chemistry[M].New York:John Wiley & Sons，1985.

[19]CHOROVER J.Surface Charge and Colloidal PropertieSOf Benchmark Brazilian Oxisols[D].California:California University，1993.

[20]SPOSITO G.The Surface Chemistry of Soils[M].New York:Oxford University Prsss，1984.

[21]邹卫华,陈宗璋,韩润平,等.锰氧化物/石英砂(MOCS)对铜和铅离子的吸附研究[J].环境科学学报,2005,25(6):779-784.