植物修复是一种绿色有吸引力的重金属污染修复技术。 了解重金属在植物体内不同部位的分布， 有助于深入了解重金属植物修复的分子机制。 激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在元素原位快速分析时拥有突出的技术优势， 尤其是具备无需复杂样品前处理、 可对固体样品直接分析的突出特点， 目前元素扫描成像是LIBS技术的重要研究及应用方向。 设计并搭建了基于纳秒脉冲激光器的元素成像LIBS装置， 系统光斑分辨率50 μm， 样品移动步距为100 μm， 成像分析速度为6.25 mm2·min-1， 装置可实现自动化扫描， 满足实际分析需求， 系统采用多通道平面光栅光谱仪， 光谱范围180～800 nm， 目标元素光谱经基线扣除， 峰面积拟合及归一化处理后绘制分布热图， 并以伪彩呈现样品不同区域的元素分布。 以豌豆为水培植物模型， 利用所搭建的元素成像LIBS装置开展豌豆植株的在体原位元素成像分析， 分析了Ni、 Cu、 Cr及Pb重金属在植物体内的差异性分布， 并研究了上述四种重金属的吸收途径。 结果显示， 该元素成像装置可以对植物体内存在的C、 Mg、 Fe、 Ca、 Na、 K等主要基体元素进行有效分析， 经过重金属胁迫后， 豌豆植物体内存在明显的重金属累积且不同重金属在植株中呈现不同的分布趋势， 镍离子在胚轴、 胚芽部位大量存在， 与镍离子分布不同的是， 植株大量吸收铜离子并富集在根部初生结构中; 重金属铬在豌豆根的中部和胚芽、 胚轴大量积累， 而重金属铅则大量富集在胚轴、 胚芽中， 根尖的含量最少。 该研究表明， 元素成像LIBS技术可实现对植物体内多种重金属的在体同时分析， 这对辅助研究环境水体重金属污染植物修复的机理有意义， 同时可为植物生理学和生态毒理学等领域的相关研究提供装置和新方法。

以分析纯试剂为原料模拟含锌冶炼渣, 采用熔融法制备微晶玻璃, 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱等表征方法, 探究不同氧化锌掺杂量对微晶玻璃形成、晶化及理化性能的影响。结果表明, 微晶玻璃的主要结晶相为堇青石相, 少量氧化锌(低于0.5%, 摩尔分数, 下同)的加入能够增强玻璃形成能力。随着氧化锌含量逐渐增加(0.5%~20.0%), 玻璃网络结构的完整性变差, 玻璃的黏度降低, 微晶玻璃的主要结晶相由堇青石转变为尖晶石, 同时结晶度和晶粒尺寸增大, 从而微晶玻璃的体积密度、硬度和耐酸碱性提高。微晶玻璃对重金属锌有较好的固化效果, 因此锌浸出浓度远低于标准值, 浸出率趋于稳定。本研究可为实现微晶玻璃固化重金属提供参考和借鉴。

近年来, 重金属离子的去除是复杂环境中水处理面临的难点问题之一, 静电纺丝制备的三维SiO2纳米纤维棉具有耐高温、耐强酸的特点, 是复杂环境中水处理的理想前驱体材料。以三维SiO2纳米纤维棉作为基底, 在引发剂偶氮二异丁腈作用下催化乙烯苯磺酸和乙二苯单体发生原位聚合, 实现聚乙烯苯磺酸在SiO2纳米纤维棉表面均质包覆, 制备SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉。通过SEM、FT-IR等表征方法揭示了该纳米纤维棉的形貌和化学组成, 采用热重分析仪对其进行热稳定性测试, 并研究了该纳米纤维棉在高温、酸性条件下的吸附再生性能。结果表明: SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉对Cu2+、Cd2+和Pb2+有很高的吸附容量, 当pH值为5.5和初始离子浓度为100 mg/L时, 吸附容量分别为73.0、91.0、161.0 mg/g, 当温度为80 ℃时吸附容量仍可达81.0、64.0、123.0 mg/g; 吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附, 具有较强的再生性能, 经10次离子脱附-吸附循环, Cu2+、Cd2+和Pb2+的容量保持率分别为83.5%、81.1%、77.6%。

以粒化高炉矿渣为主要材料, 在碱性电石渣激发作用下, 制备了一种矿渣-电石渣基地质聚合物。通过XRD、SEM、EDS、FTIR、TG-DSC等微观测试技术, 对矿渣-电石渣基地质聚合物的性能及作用机制进行了分析, 同时对地质聚合物进行了重金属浸出测试。结果表明: 当外掺电石渣质量分数为14%、水胶比为0.34时, 矿渣-电石渣基地质聚合物在4 d常温养护、32 h蒸汽养护环境下抗压强度达到31.8 MPa; 地质聚合物的水化产物主要为水化硅铝酸钙、水化碳铝酸钙和少量钙钒石晶体; 浸出液中重金属浓度均满足国家毒性控制标准, 说明了地质聚合物的安全性; 电石渣对矿渣碱激发作用效果良好。

以贝壳替换部分传统水泥基材料, 研究其对污染物的吸附能力, 可扩大水泥基材料的功能型工程应用范围。本文通过吸附动力学、等温吸附等原理论证了贝壳材料的吸附机理, 讨论了pH值、接触时间和污染物浓度等影响因素对贝壳吸附性能的影响, 并综述了贝壳在建筑领域的相关应用。结果表明, 在水泥基材料中采用贝壳替代胶凝材料或天然骨料都展现出较好的吸附能力。贝壳吸附过程中最佳pH值为5~7, 贝壳颗粒表面的活性位点有限, 在一定浓度下就会达到饱和, 同时贝壳的活性位点会随着粒径的减小而增多, 选取小粒径的贝壳粉有利于增加吸收容量, 提高去除效率。本文通过分析贝壳吸附性能及贝壳在水泥基材料中的应用, 可为设计功能型水泥基吸附材料提供思路。

以黏土为原料, 通过控制化学成分和烧结温度对Cd进行烧结固化, 测试其对Cd的固化率和浸出浓度的影响, 通过XRD、SEM、XPS、FTIR和重金属形态分析探讨黏土烧结过程中Cd的固化机理。结果表明: 提高Fe2O3含量有利于赤铁矿的生成, Cd在750 ℃时的残渣态占比高于其他样品; 提高铝硅比后, 样品中CdAl2Si2O8含量增多, 当铝硅比为0.3、温度为1 050 ℃时, Cd的固化率最高可达99.64%; CaO含量提高至3%(质量分数)后, 浸出浓度低于1 mg/L, 钙长石的形成可提高浸出液的pH值进而抑制Cd的浸出。黏土经烧结后可形成更致密的结构, 将Cd包裹在液相内, 同时Cd2+可取代Ca2+进入晶体中生成稳定的CdAl2Si2O8, 使得Cd在黏土中被固定。

地下水重金属污染正在严重威胁环境安全和人体健康。荧光探针检测技术因具有灵敏度高、选择性好等优势，已成为检测重金属离子浓度的常用方法之一。受限于光源和光学系统的体积与成本等因素，现有重金属荧光检测装置无法满足现场原位检测需求。本文研制了一种地下水重金属荧光原位检测装置，其光学探头以紫外发光二极管（LED）为光源，采用共聚焦光路设计，荧光收集角范围可达102°，外径不超过60 mm，实现了小型化和低成本化。同时，以商用化台式荧光分光光度计作为参照设备，搭载相同的二价汞离子（Hg²⁺）荧光探针，开展了对比性能测试。实验结果表明，本文研发的装置具有良好的稳定性和线性响应特性，相关系数R²为0.989，检测限可达到1.47×10^-9，各项性能参数不亚于台式荧光分光光度计。

植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。 为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究, 从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。 在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验, 测定了不同浓度Cu2+和Pb2+胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu2+和Pb2+含量等有关铜铅污染玉米的基础数据, 形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。 研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI), 实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测, 从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。 研究设计了不同浓度的铜铅污染实验, 将测量获得的玉米叶片450～850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线, 利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据, 选择对重金属Cu敏感的特征波段。 计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490～520和680～700 nm与土壤和叶片中的Cu2+含量呈现接近于1的线性正相关, 在630～650和710～750 nm呈现接近于-1的线性负相关。 选择波长505, 640, 690和730 nm的DCR值建立CLDI, 通过计算土壤和叶片中的Cu2+含量与CLDI和常规的植被指数(VIs)的皮尔逊相关系数, 将两者进行对比, 从而验证了CLDI的有效性。 选用2017年实验获取的不同品种玉米叶片光谱数据, 将CLDI同样和常规的植被指数(VIs)进行对比, 从而验证了CLDI对不同品种的玉米具有鲁棒性。 将CLDI应用到铅胁迫下玉米叶片的污染程度监测, 验证了其对于不同重金属的普适性。 结果表明, CLDI与Cu2+和Pb2+胁迫浓度相关性显著, 与其他植被指数相比, 相关性更高。 提出的CLDI探测铜铅胁迫下不同品种不同时期的玉米污染程度, 具有计算方便, 鲁棒性, 高效性、 普适性的优点。 该研究基于实验室叶片尺度, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。