Nature发文土壤修复新工艺，XRF分析证明无损土壤品质
现有土壤修复处理时间长，污染物多样化，处理技术缺乏通用性。因此，来自休斯顿莱斯大学的研究者们设计了一种可快速修复土壤中多种污染物的高温电热工艺。通过脉冲直流电输入，使污染土壤在几秒钟内升至1000到3000°C，从而使镉、汞、铅、钴、镍和铜等重金属气化，并使多环芳烃等持久性有机污染物石墨化，同时还能使土壤肥沃并提高发芽率，这种技术相对于土壤清洗和热解吸技术，成本更低。目前，这项成果已发表于国际学术期刊《Nature Communications》中。
（图1：用于土壤修复的高温电热工艺 (HET) 概念）
在 HET 过程中，干土与导电添加剂混合，以确保良好的导电性。几秒钟内输入的高压脉冲可将土壤温度控制在1000至3000 ℃（图1a）。在这种高温下，重金属被碳热还原并汽化（图1b），然后可以通过传统热脱附技术中的蒸气提取管道（图1a）收集重金属蒸气，同时高温可破坏持久性有机污染物，例如多环芳烃被碳化成石墨（图1b）。
（图2：通过汽化去除土壤中的有毒重金属）
a 代表性重金属和碳的蒸汽压力-温度关系。红色虚线表示温度为3000 °C。b 代表性重金属从土壤中的去除率随HET电压的变化而变化。c 重金属在 100 V电压下的去除率。重复电脉冲后土壤中(d) Cd、(e) Hg、(f) Pb、(g) Co、(h) Ni 和 (i) Cu 的重金属含量。很明显，在100V电压下，6种重金属的去除率均大于80%，且在重复电脉冲后，土壤中的浓度明显下降到安全值限下。
（图3：通过石墨化去除土壤中的多环芳烃）
a 受芘污染的土壤和经过重复高温电热（HET）脉冲后的土壤提取物紫外光谱。b 芘在土壤中的含量随重复高温电热脉冲的变化而变化。c 受芴污染的土壤和经过重复高温电热脉冲后提取物的紫外可见吸收光谱。d 土壤中芴的含量随重复HET脉冲的变化而变化。e 受苯并[a]蒽污染的土壤和土壤提取物在重复HET脉冲后的紫外可见吸收光谱。f 土壤中苯并[a]蒽的含量随重复HET脉冲而变化。
芘的紫外可见光谱在319纳米和333纳米处显示出两个特征峰（图3a）。随着电脉冲的增加，这些峰的强度逐渐降低（图3a）。经过 3 次电脉冲后，芘的浓度降到2300ppm以下。同样，芴在299纳米处有一个特征吸附峰，在HET之后，其强度大大降低（图3c），3 次电脉冲之后，芴浓度降至2700ppm以下（图3d）。苯并[a]蒽也出现同样的结果（图3e、f），证明了这一技术的通用性。苯并[a]蒽的PRG很低，仅为0.62ppm，在3个电脉冲之后就超出了紫外可见分光光度法的检测极限（图3f）。在这种情况下，采用气相色谱-质谱法（GC-MS）进行定量，检测限低至 0.001ppm，而经过6次电脉冲后，苯并[a]蒽的含量降至PRG以下（图3f）。
（图4：HET 处理后的土壤特性）
a 原始土壤和经处理土壤的土壤类型（基于粒径）：粘土（<2 2-50="">50μm）。b 原始土壤和 HET 处理土壤的 XRD 图样。三角形和圆点分别表示石英和方解石。c XRF 测量的原土和 HET 处理过的土壤中金属氧化物成分的百分比。d 原始土壤和 HET 处理过的土壤在t=0分钟（左）和 1 分钟（右）时的渗水试验图片。e 原始土壤和 HET 处理过的土壤的液面随时间变化。f 未加工土壤和HET处理过的土壤水渗透率的单个数据点方框图。g 西兰花在原土和 50%处理过的土壤上生长的图片。h 使用原土和 HET 处理过的土壤（添加或不添加蛭石）种植西兰花的萌发率。i HET过程中可交换的土壤养分含量变化。c0 和 c 分别为原土和 HET 处理过的土壤中的养分浓度。
与原始土壤相比，处理过的土壤沙粒成分略高，这主要是由于HET过程中土壤聚集所致（图4a）。通过X射线衍射 (XRD) 鉴定了原土和处理后土壤的主要晶体成分，其中SiO2和CaCO3是原土的主要晶体成分（图4b）。经过HET处理后，SiO2仍然很突出（图4b），而方解石则不存在，这可能是由于方解石受热分解成氧化钙所致。通过X射线荧光 (XRF) 对处理后土壤的主要成分进行了进一步量化，结果显示各种氧化物几乎没有发生变化（图4c）。上述分析表明，除了污染物的去除，经过HET处理的土壤的形态、颗粒大小和矿物成分几乎没有发生变化。植物实验结果表明，处理过的土壤的发芽率都比原土高出20%至30%（图4h），这表明 HET 过程可能会促进植物生长。
