纳米材料在土壤中运移及其与重金属协同迁移的机制研究

由于纳米材料的广泛生产、使用和消耗，其潜在的人类健康风险和环境安全问题已成为人们关注的热点。纳米材料在环境介质中的迁移特性和存在形态是预测其在环境中分布状况的基础。然而目前对纳米材料在多孔介质中迁移的研究大多局限在规则模拟介质，对实际土壤介质的研究甚少，在运移过程中纳米材料与土壤的作用机制尚不明确。本项目以金属氧化物和含碳纳米材料为对象，研究纳米材料在不同土壤中的淋溶行为和存在形态。同时特别关注纳米材料在不同流速和土壤水分饱和度条件下的迁移特性，详细探讨纳米材料在土壤水-气-固三相界面的作用机制，应用对流-弥散模型和CXTFIT程序综合评估纳米材料在土壤中的迁移能力及其对地下水的风险。在这两项研究基础上，项目还进一步考察纳米材料与土壤重金属的协同淋溶行为，并建立三组分运移模型探讨纳米材料对土壤中重金属迁移的影响及机制，以期为纳米材料环境安全风险评价提供可靠的科学依据。

本项目的开展有以下几个目的：① 研究纳米材料在不同土壤介质中的迁移行为，评估纳米材料在土壤中的迁移能力；② 考察纳米材料在不同流速和土壤水分饱和度条件下的迁移行为，明确纳米材料在迁移过程中与土壤各相介质的作用机制；③ 选取重金属为典型土壤污染物的代表，进一步考察纳米材料对土壤重金属迁移行为的影响，评价纳米材料与重金属协同迁移的能力，为纳米材料的生产和使用安全风险评价提供科学依据。该项目课题组按原计划已经全部完成相应研究内容，主要研究成果如下：（1）纳米CeO2和纳米TiO2在试验的9种土壤中均有很强的运移能力，而纳米Al2O3仅在试验的酸性土壤中有较强的运移能力。模型估算的纳米CeO2、纳米TiO2和纳米Al2O3在试验土壤中的最远运移距离分别为52～69043 cm，31～332 cm和<10～5722 cm。纳米碳管在试验的13种土壤中的具有很强的迁移能力，模型估算的纳米碳管在各个土柱中的最远迁移距离为26.8～383.1 cm。上述研究结果表明纳米CeO2、纳米TiO2、纳米Al2O3和纳米碳管等在中国的某些土壤中存在向深层土壤迁移的可能性，其对地下水的污染风险值得关注。（2）纳米TiO2在饱和与不饱和土柱中均具有较强的移动性，土壤的不饱和条件并没有降低纳米TiO2的迁移能力。然而，降低流速通常能增加纳米材料在土柱中的截留。（3）纳米材料在土壤中运移的机制非常复杂，静电作用、土壤表面电荷异质性、土壤渗透系数、土壤机械组成、团聚作用、张力作用（straining）以及过滤熟化作用（ripening）均对纳米材料的运移有着重要的影响。（4）在有机质含量较低的土壤中，纳米TiO2能够作为铜离子的载体，携带铜在土壤中运移。然而，在有机质含量有较高的土壤中，纳米TiO2并没有增强铜离子的运移能力。在采自浙江衢州地区的红壤中，纳米TiO2能够作为重金属铅在土壤中运移的载体，纳米TiO2的存在使得铅在红壤中的运移能力增强了15倍。土壤对重金属离子的吸附容量和吸附机理共同决定着纳米TiO2与重金属离子的协同运移能力。上述研究表明在某些土壤中，纳米TiO2能够作为重金属运移的载体，这是一种新的土壤重金属运移途径，由它带来的地下水重金属污染风险值得关注。