化学修复技术的优缺点
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化学修复技术的优缺点范文第1篇
关键词：土壤；镉；污染；修复技术
1 引言
土地是人类生存和发展的主要资本和物质基础，为人类生存和发展提供了重要的物质和数量基础。随着工农业的迅速发展，人类把带有大量有毒有害的物质排入到环境中。这在相当多的领域造成了大量的土壤污染，土壤环境污染的问题越来越严重。
2 国内外土壤镉污染状况
镉是生物生长和发育过程中的非必需元素，它也是自然界中最有害的重金属之一，它在土壤中与Hg、As、Cr和Pb一起称为“五毒元素”[1，2]。Cd在自然环境中分布极广，地壳中的平均含量为0.2 mg/kg，广泛存在于岩石、沉积物及土壤中[3]。近年来，由于在环境中Cd的含量增加，在许多国家中已经广泛关注，由于这些国家对食品中重金属的安全性的普遍了解，已经为农田土壤作物制定了一套严格的标准见表1[4]。
在我国土壤重金属污染事件频繁发生，土壤Cd污染状况也一直较为严重。例如2013 年5月“镉大米”事件、2014年广西大新县重金属污染事件等[5]。土壤重金属污染问题威胁到人民群众“舌尖上的安全”，成为全社关注的焦点。据不完全统计，我国农田重金属镉污染面积已达2万hm2，年产量镉含量超标的农产品达14.6亿kg，且有日益加重的趋势[6]。2014年4月17日环境保护部和国土资源部联合的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤重金属的超标率为16.1%的重金属，西南、中南地区土壤重金属镉、汞、砷、铅4种无机污染含量的范围从西北到东南，从东北到西南方增加。在所有污染物中，镉的超标率最高，占7.0%，是我国耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一[7]。依据《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中规定A适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤中Cd的质量标准应在0.3～0.6 mg/kg范围内，但是我国有些地区土壤中的Cd含量超标，Cd污染土壤状况比较严峻[8]。我国部分地区污染农田土壤和农作物镉含量见表2[9]。
3 土壤中镉的来源
土壤中的Cd主要有天然来源和人为来源两种[10]。天然来源主要是指含Cd的矿物或岩石通过长期风化释放到土壤中，这构成了土壤中Cd的背景值。土壤中镉在不同地区的背景值差异很大，世界范围内土壤中镉的背景值含量为0.01～2.0 mg/kg，平均水平约为0.35 mg/kg[7]。我国土壤中Cd的背景值低于世界平均值，约为0.097 mg/kg[11]。
人为来源较为广泛，包括采矿、选矿、有色金属冶炼、电镀、合金制造、含镉蓄电池生产等行业的生产，以及污水、污泥、大气沉降、农药化肥固体废弃物等，预计排放的镉（Cd）约有82%～94%进入到了土壤[12，13]。众多研究关注了土壤镉污染的人为来源[14]，陈怀满，郑春荣等学者研究表明我国因污灌受到污染的耕地约占总污灌面积的45%，其中以Cd和Hg的污染尤为严重；王初，邵莉等研究发现受交通尾气和污染物排放影响，公路沿线农田土壤重金属污染呈现距离公路越近的地方污染越严重的规律，交通对土壤环境的影响距离从几十米到数百米不等[15～17]；颜世红等通过对矿区土壤中重金属镉来源的研究发现矿区附近土壤主要受矿石挖掘与加工产生大量的粉尘、污水、废气、固体废弃物排放镉污染影响[13，14，18]。
4 土壤中镉的危害
对于植物，其会抑制植物的光合作用以及植物的酶活性等。植物的光合作用降低使得植物对养分和水分的吸收受到阻碍，导致植物的营养代谢失调，使得植物生长和产量降低。
对于动物和人类，镉元素通过食物链进入人和动物体内富集。镉元素的吸收对人体骨骼、肾、肝、免疫系统和生殖系统具有毒害作用，会引发骨痛、糖尿病、肺气肿以及高血压等病症，严重的会引发癌症等疾病[19]。联合国环境规划署（UNEP）也将镉列为12种具有全球性的危险物质中的首位危险物质[20]（图1）。
5 土壤镉污染修复技术研究现状
土壤中镉污染危害的严重性及解决的迫切性在国内外被广泛的研究[21]。土壤修复是指使用能让土壤中的污染物转移、吸收、降解和转化的物理，化学和生物等的修复方法，将其浓度降低到可接受水平，或将有毒和有害的污染物转化为无害的物质[22]。目前，对含重金属土壤的修复技术主要有物理、化学、电动法、生物和农业生态修复等技术[21]。
5.1 物理修复
土壤物理修复通常用于镉污染的修复。如客土法、换土法、翻土法等。通过加入净土，除去旧土和深土，以便减少土壤镉污染。Wang等进行了土壤深度改良实验，使白菜镉的平均浓度降低了50%～80%[23]。目前，这种方法的应用已经在英国、美国、荷兰和日本实现。但是成本高，易于二次污染和降低土壤肥力，难以广泛推广[24]。镉污染土壤的物理修复方法简单和快速，但它不能真正从土壤中清除镉污染。这种方法有潜在的危险，此种方法需要大量的资金，人力和物质资源，不适合大规模镉污染的土壤治理。
5.2 化学修复
化学修复是指在污染土壤中使用化学改性剂将重金属进行固定转换、溶解抽提和提取分离，减少污染土壤中的重金属，改变土壤环境条件。化学固定、淋洗和提取是对土壤镉污染进行化学修复最常见的方法[25]。例如，硅肥、钙镁磷肥、石灰和骨炭粉可以不同程度地抑制玉米对镉的吸收[26]。
较为常用的镉污染修复化学材料有碱性改良剂（石灰、钙镁磷肥等）、黏土矿物（沸石、海泡石等）、拮抗物质（硫酸锌、稀土镧等）和有机质（泥炭、有机堆肥等）[25，27]；除此之外，一些金属螯合剂和表面活性清洗剂目前也逐渐应用于镉污染土壤修复[28]。化学修复的治理效果和费用都适中，且简单易行，但它没有起到真正意义上去除镉污染的作用，只是改变了土壤中镉存在的形态，可能由于土壤环境的变化，有可能再次活化，造成二次污染危险。此外，化学方法也可能导致化合物造成的微量元素损失和造成土壤的复合污染，而不能作为一种永久的修复措施。
5.3 电动修复
电动修复是一个多学科的研究领域，其原理是将电极插入污染土壤和适当大小的DC，发生土孔隙水和带电离子迁移，土壤污染物在外电场作用下取向并积聚在电极附近，电极进行常规处理，从而清洁土壤[21，29]。Apostlols G等探讨了添加十二烷基硫酸钠和天然表面活性剂腐殖酸对动电修复污染土壤修复的影响，得出的结果表明，两种试剂可以促进修复过程中镉污染的去除[30]。电动修复是通过向污染土壤的两侧施加直流电压以从污染的土壤中去除重金属，使得土壤中的污染物在电场的作用下在电极的两端富集。该技术已应用于Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni等重金属污染土壤修复[25]。该技术具有采用的化学试剂少、消耗低，修复完善的优点，是具有良好发展前景绿色修复技术。但是受影响的因素比较多，例如土壤的类型、电流的大小、电极材料和结构等，会在一定程度上影响修复的效率和速度。
5.4 生物修复
生物修复是指利用生物的某些特征，来吸收、降解、转化、抑制和改善重金属污染。镉污染土壤的生物修复一般分为动物修复、植物修复和微生物修复三种类型[31]。
5.4.1 动物修复
动物修复是利用土壤中的一些低等动物，如蚯蚓和啮齿动物，可以吸收土壤中的重金属，并在一定程度上减少污染土壤中重金属的比例。这项技术达到了重金属污染土壤的游镄薷吹哪康摹8梦廴拘薷醇际跹芯咳匀痪窒抻谑笛槭医锥[32]。敬佩等通过重金属污染土壤接种蚯蚓发现：蚯蚓具有很强的富集能力，富集量与蚯蚓培养时间成正比[33]。但由于动物生长环境等因素的影响，修复效率一般，并不是理想的修复技术。
5.4.2 微生物修复
微生物修复是指许多微生物与重金属具有很强的亲合性，对重金属进行吸收、沉淀、氧化还原作用，可以降低土壤中重金属的毒性[25，34]。许多学者研究发现这项修复技术主要通过改变土壤中重金属离子的活性，微生物细胞吸附富集和促进超富集植物对重金属的吸收。微生物修复作为绿色环保的修复技术，引起了国内外相关研究机构的极大关注，具有广泛的应用前景，但修复见效速度慢、修复效果不稳定等，使得大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室阶段，能应用到的实例很少。
5.4.3 植物修复
植物修复是指利用植物吸收、吸取、分解、转化，或固定土壤、沉积物、污泥、地表、地下水中有毒有害污染物的技术的总称[35]。植物修复技术是由Chaney R.L在1983年首先提出[25]。植物修复主要包括植物的提取、挥发、降解、根滤和根际微生物降解。植物修复涉及使用超累植物的特性来修复重金属污染的土壤是最广泛使用的。超积累植物的概念首先由Brooks等在1977 年首先提出，目前文献报道的超积累植物有近20科、500种，其中十字花科、禾本科居多，主要集中于庭芥属、芸苔属及遏蓝菜属[36，37]，人们更常见的超积累植物[38～44]见表3。
印度芥菜吸收200 mg/kg的镉，当黄化现象出现时，镉富集达52倍；英国的高山属类，可以吸收高浓度的镉[45]。生物修复的优点是更简单的实施，更少的投资和更少的对环境的损害。缺点是治疗效果不明显，治疗时间太长，效果太慢。
5.5 农业生态修复
农业生态恢复措施是指根据当地条件选择农业管理系统，减少重金属危害，包括农艺修复措施和生态恢复措施。农艺修复措施通常通过改变作物系统，通过植物物种的间作、轮作，或通过向镉污染的土壤中添加有机肥料以形成游离形式的有机络合物，从而减少土壤中镉含量的目的，实现镉在土壤中的迁移，吸收和降解[46，47]。在我国，有许多关于生态修复措施的研究。一般来说，是通过调整土壤含水量等生态因子来控制污染物的环境介质[48]。农业生态恢复措施不仅能保持土壤肥力，而且能促进自然生态循环和系统协调的运行。它易于操作和低成本，但是存在许多缺点，如修复时间长缓慢的效果。
6 展望
国内外在土壤Cd污染修复技术研究取得了一些进步，但是我国的土壤Cd污染面积仍有增加的趋势，切实有效的污染修复技术亟待开展。物理修复、化学修复、电动法修复方法投资昂贵，所需设备复杂。生物修复中的植物修复技术因其保护环境，经济性和有效性而受到高度推崇。但是，植物修复技术仍有一些缺点，如植物在Cd污染胁迫下，经常生长缓慢，生物量低，而且经常受到竞争性杂草的威胁。如果能将现代分子生物学方法相关的富集基因的分离和分子克隆应用到植物修复技术上，产生大量适用于Cd污染土壤的恢复转基因植物，这对于土壤Cd污染的研究具有深远的意义。此外，应进一步研究修复过程中的影响因素，寻找土壤Cd污染的来源，从污染源头、污染特征、污染程度等方面进行治理；在已有的修复方法中，总结经验，开发新技术；每一个修复技术都有优缺点，在土壤Cd污染中注重多项技术联合修复土壤镉污染的研究。
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Present Situation and Prospect of Soil Cadmium Pollution and
Remediation Technology at Home and Abroad
Wang Weiwei1，2，3，Lin Qing1，2，3
（1.Key Laboratory of Environmental Change and Resource Utilization of Ministry of Education，
Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；
2.College of Geography Science and Planning， Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；
3.Guangxi Key Laboratory of Surface Processes and Intelligent Simulation， Guangxi Normal University，
Nanning，Guangxi 530001， China）
化学修复技术的优缺点范文第2篇
【关键词】
纤维桩;纤维/树脂桩核;修复
DOI:10.3760/cma.j.issn 1673-8799.2010.11.181
作者单位:541001桂林医学院附属医院口腔科(毛峻武);
桂林市第三人民医院口腔科(王萍)
近几十年铸造合金桩核冠及预成金属桩加核加冠成了牙体缺损修复的主流方式,但是由于其自身存在诸多缺点限制了其在临床上的应用[1]。纤维桩核系统具有优良的机械、生物学性能和较好的修复效果,被广泛用于临床。自从90年代碳纤维桩问世以来,由于其自身特点得到了临床医生的青睐,随后又出现了玻璃纤维桩和石英纤维桩,聚乙烯纤维增强的树脂桩,目前玻璃纤维桩成为了纤维桩修复的主流,但是同样存在着自身缺点[2],这使得研究人员致力研发新一代的纤维桩,如石英纤维桩等。
经过根管治疗后的患牙,牙冠会出现大面积缺损。为了增加全冠修复体的固位和支持,常常要对其进行桩核修复。长期以来,一直采用金属桩核修复牙冠。但是,金属桩核存在着以下缺点[3~5]:1弹性模量高于牙本质,易在根管内应力集中从而产生根折。2金属色泽和不透光性,一定程度的影响了其在全瓷美容修复中的应用。3金属在口腔复杂环境中有腐蚀性和以及毒性作用。4磁共振成像中,金属桩核会产生伪影,从而影响了影像学的诊断。5戴入根管后如果需要行其他桩材料修复很难再取出。
1 纤维桩种类
1.1 碳纤维桩 最早用于临床的是碳纤维桩[6], 1990年,Dure等介绍了应用碳纤维加强原理制作桩的技术,随后该技术在欧美等国家广泛应用。优点是弹性好,易取出,碳纤维加强的树脂桩核系统,它与牙本质的弹性模量相近,能有效分散应力,防止应力集中。可用于美观修复而曾经一度成为欧美国家用于修复牙体首先材料。目前市场上的碳纤维桩主要有美国的BISCO公司的C-POST系列和法国CARBOTECH公司的CARBOPOST系列。碳纤维虽然有诸多优点,但颜色是黑褐色,无光泽,所以不适合美容修复,不合适做全瓷冠修复[7~9]。
1.2 玻璃纤维桩
玻璃纤维桩主要成分为SiO2,在桩体中以非晶态形式存在。由于弹性性能较好及刚度较低,具有与牙本质相似的刚度而使其在根管内表现出很低的最大应力值。而铸造合金桩钉修复时应力主要集中在桩的根尖部位容易导致根折。玻璃纤维桩也有缺点[8~12]:1,早期的玻璃纤维桩为X线透射材料,不利于治疗效果的检查以及给去除纤维桩有难度。不过随着技术的发展,一些品牌的玻璃纤维桩拥有了X线阻射性。2,在承受功能性负荷时,纤维桩的潜在弯曲容易使粘接剂受到拉伸和剪切力,使粘接剂边缘封闭丧失,导致边缘微渗漏。
1.3 石英纤维桩 这种纤维桩和玻璃纤维桩并没有本质的不同,其纤维的主要成分都是SiO2,两者的区别在于玻璃是非结晶态SiO2和其他化合物的混合物,而石英是结晶态纯SiO2[13~14],纤维桩的光传导特性不同,石英纤维具有良好的光传导性,在对树脂核进行光照固化时,光线可通过石英纤维的传导间接引发桩表面粘接剂的固化,从而加强了石英纤维桩表面粘接剂的机械性能;而且,2种纤维桩与树脂核间的破坏模式也不同,石英纤维桩表现为界面的破坏,而玻璃纤维桩表现为桩本身结构的损坏。石英纤维桩则是具有了优良的机械性能、粘结性能、美学性能,是一种比较理想的桩核材料。相对于黑色的碳纤维桩,石英纤维桩的外观为白色半透明,透光性良好,使其更适用于美学修复。
2 纤维树脂桩核与固位
2.1 纤维桩内部结构对固位的影响
不同的纤维桩内部结构有所不同,而内部结构的不同直接影响纤维桩的粘接强度,从而影响纤维桩的固位。近年来市场上推出的一种新型纤维复合树脂桩,使预浸润的树脂基质与硅烷化的玻璃纤维形成相互渗透聚合物网状结构(interpenetrating polymer network, IPN)纤维桩透明度对固位的影响。实验证实 IPN 结构的纤维桩粘接强度显著高于预成石英纤维桩和玻璃纤维桩。
是否纤维桩的透明度会影响纤维桩的固位尚有争议。有测试证明通过树脂粘接后的半透明纤维桩和不透明纤维桩与牙本质之间的粘接强度,发现两种桩的粘接强度之间没有显著性差异[15~17]。有人则认为,半透明纤维桩根尖区的树脂由于受到光照,树脂粘接剂固化时聚合程度高,收缩大,产生聚合收缩应力增大,反而降低了桩与牙本质的粘接强度[5]。
2.2 纤维桩与树脂核对固位的影响 残冠、残根行纤维树脂桩核修复时,通常将纤维桩向冠部延伸4 mm左右(视牙体的长轴倾斜度、颈部剩余牙体、修复间隙的不同而作调整),然后堆塑树脂成型核部。纤维桩与树脂核的粘接强度受到所选用的桩核材料、纤维桩冠部表面不同处理以及纤维桩冠部形态等的影响。研究认为纤维桩的冠部表面处理能增强桩核界面的粘接固位。
有研究[6]通过实验对纤维桩冠部表面用过氧化氢、硅烷、氢氟酸进行不同的处理,结果显示,纤维桩冠部表面采用过氧化氢处理一段时间后再硅烷化的处理组,桩与核界面粘接强度显著增强。Monticelli[4]等人分别用高锰酸钾、体积分数为10%的过氧化氢溶液、质量分数为21%的乙醇钠、高锰酸钾加质量分数为 10%的盐酸处理纤维桩冠部表面后,电镜下发现各处理组的桩与核材料相互渗透粘接成网状结构;微拉伸实验显示高锰酸钾处理组桩和核的粘接强度增高最明显,该实验中,各处理组纤维桩表面的树脂基质均部分溶解,暴露的部分石英纤维被核树脂材料包绕,增加了微机械和化学固位,因而增强了桩与核的固位。Goracci[5]证实经表面硅烷化处理的桩与核的粘接强度高于表面未作硅烷化处理的纤维桩。而使用硅烷偶联剂处理纤维桩表面然后堆塑核材料,并用较高温度吹干偶联剂,可以让更多的溶剂蒸发掉,有利于核材料与纤维桩的粘接[16~19]。
综上所述,从某种意义上讲,纤维桩系统克服了传统金属铸造桩的许多不足, 特别是新一代的石英纤维桩具有较好的X线阻射性,更有利于临床医生对修复效果的检查和相关处理。但也有其缺点:在功能负荷下粘接纤维桩的粘接剂容易受到拉应力和剪应力,导致纤维桩边缘的微渗漏,产生根面的牙本质继发龋等。如何消除或减少边缘微渗漏是纤维桩修复进一步发展中亟待解决的问题。
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