地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (12): 1350 -1362. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.086

土壤特征与水环境化学 上一篇    下一篇

奈曼旗麦饭石对土壤—地下水中特征重金属的防控机制研究
张荣1,2,3(), 宋乐1,2,4(), 马翠艳1,2, 张娟娟5, 付世骞5, 任宇1,2, 鲁重生1,2, 曹文庚1,2()   
  1. 1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061
    2.河北省/中国地质调查局地下水 污染机理与修复重点实验室，河北 石家庄 050061
    3.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 330103
    4.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009
    5.河北省地质矿产勘查 开发局第六地质大队（河北省地质矿产勘查开发局航空测量应用中心），河北 石家庄 050000
  • 收稿日期:2025-07-15 修回日期:2025-09-26 出版日期:2025-12-10
  • 通讯作者: 宋乐,曹文庚 E-mail:zh17636472194@163.com;songle17@163.com;caowengeng@mail.cgs.gov.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2023YFC3709900);国家水文地质调查项目(DD20242500-1);中国地质科学院基本科研业务费项目(SK202404)

Research on the Prevention and Control Mechanism of Characteristic Heavy Metals in Soil-Groundwater by Naiman Banner Maifanite

Rong ZHANG1,2,3(), Le SONG1,2,4(), Cuiyan MA1,2, Juanjuan ZHANG5, Shiqian FU5, Yu REN1,2, Chongsheng LU1,2, Wengeng CAO1,2()   

  1. 1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061, China
    2.Key Laboratory of Groundwater Contamination and Remediation, Hebei Province & China Geological Survey, Shijiazhuang 050061, China
    3.School of Water Resources and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330103, China
    4.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
    5.Sixth Geological Brigade of Hebei Geological and Mineral Exploration and Development Bureau (Aviation Measurement Application Center of Hebei Geological and Mineral Exploration and Development Bureau), Shijiazhuang 050000, China
  • Received:2025-07-15 Revised:2025-09-26 Online:2025-12-10 Published:2026-01-17
  • Contact: Le SONG, Wengeng CAO E-mail:zh17636472194@163.com;songle17@163.com;caowengeng@mail.cgs.gov.cn
  • About author:ZHANG Rong, research areas include water and soil pollution prevention and control. E-mail: zh17636472194@163.com
  • Supported by:
    Project suppoted by the National Key Research and Development Program of China(2023YFC3709900);National Hydrogeological Survey Project(DD20242500-1);Chinese Academy of Geological Sciences Basal Research Fund(SK202404)
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内蒙古自治区通辽市奈曼旗的天然矿物麦饭石可应用于水质净化及环境修复等多个领域。风化作用可改变麦饭石的理化性质，进而影响其对重金属的吸附性能。针对奈曼旗南部山区麦饭石产地不同深度的麦饭石样品开展风化程度鉴定和重金属吸附实验，并结合理化性质表征进行防控机制探析。研究表明，奈曼旗麦饭石主要受物理风化作用影响，根据表观特征、化学蚀变指数和风化系数可判断深层样品为微风化状态，表层样品为中等—强风化状态。风化作用使得表层麦饭石中石英和斜长石晶体发生破坏，比表面积增加66.81%，3.6~4.0 nm的孔径占比由12.36%增加到40.05%，伴随碱性元素流失，零点电位明显左移，由7.09移至2.00以下。深层麦饭石更易吸附地下水中的阴离子型重金属特征污染物铬，理论最大吸附量为0.90 mg/g；表层麦饭石更有利于对土壤中阳离子型重金属特征污染物镉的吸附，理论最大吸附量为5.57 mg/g。吸附过程的表面扩散、中孔内扩散和微孔内扩散3个阶段均在24 h内达到平衡。麦饭石对重金属的多分子层吸附过程以静电作用为主，也包括表面羟基络合等。自然地质风化作用造成麦饭石零点电位左移等理化性质改变，由此产生对土壤—地下水中特征重金属的综合防控能力，为奈曼旗麦饭石在地下水水质净化方面的可持续开发利用提供了理论依据。

关键词: 奈曼旗, 麦饭石, 风化作用, 重金属, Zeta电位

Chinese Maifanite, a natural mineral from Naiman Banner,Tongliao City, Inner Mongolia Autonomous Region, has potential applications in water purification, environmental remediation, healthcare, and agricultural improvement. Weathering processes alter the physicochemical properties of Maifanite, thereby influencing its heavy metal adsorption performance. This research systematically investigated Maifanite samples collected from different depths in the southern mountainous mining area of Naiman Banner, conducted comprehensive analyses including weathering degree assessment, heavy metal adsorption experiments, and prevention and control mechanism studies combining physicochemical characterization. The research reveals that Naiman Banner Maifanite primarily undergoes physical weathering. Based on macroscopic characteristics, Chemical Index of Alteration (CIA), and weathering coefficient Kf , deep-layer samples were identified as slightly weathered, while surface samples exhibited moderate to strong weathering. Weathering increased the specific surface area of Maifanite by 66.81%, reduced pores smaller than 3.6 nm, and increased pores between 3.6~4.0 nm from 12.36% to 40.05%. Additionally, weathering caused the destruction of quartz and plagioclase crystals, leaching of alkaline elements (Na, Mg, Si, K, Ca). The zero potential point shifted markedly from 7.09 to below 2. Notably, deep-layer Maifanite demonstrated preferential adsorption toward anionic chromium (Cr)-a characteristic groundwater contaminant-with a maximum theoretical adsorption capacity of 0.90 mg/g. Conversely, surface-weathered Maifanite exhibited enhanced adsorption capacity for cationic cadmium (Cd)-a typical soil pollutant-reaching 5.57 mg/g. The adsorption process, comprising three distinct stages (surface diffusion, mesopore diffusion, and micropore diffusion), achieved equilibrium within 24 hours. Multilayer heavy metal adsorption mechanisms were predominantly governed by electrostatic interactions with additional contributions from surface hydroxyl complexation. In conclusion, natural geological weathering induces significant physicochemical modifications in Maifanite, including the observed zero potential point shift, which collectively enhance its capacity for comprehensive heavy metal prevention and control in both soil and groundwater systems. This research provides crucial theoretical foundations for the sustainable development and utilization of Naiman Banner Maifanite in groundwater purification applications.

Key words: Naiman Banner, Maifanite, Weathering, Heavy metals, Zeta potential

中图分类号: 

图1 奈曼旗地区麦饭石表征
（a）CMF 1扫描电镜图；（b） CMF 2扫描电镜图；（c） CMF 1的能量色散X射线光谱分析（SEM-EDS）图；（d） CMF 2的能量色散X射线光谱分析（SEM-EDS）图；（e）麦饭石XRD；（f） 麦饭石FTIR；（g） CMF 1孔径分布图；（h） CMF 2孔径分布图。
Fig. 1 Characterization of Maifanite in Naiman Banner
（a） Scanning Electron Microscope （SEM） of CMF 1； （b） Scanning Electron Microscope （SEM） of CMF 2； （c） Energy Dispersive X-ray Spectroscopy （SEM-EDS） of CMF 1； （d） Energy Dispersive X-ray Spectroscopy （SEM-EDS） of CMF 2； （e） X-Ray Diffraction （XRD） of Maifanite； （f） Fourier Transform Infrared spectroscopy （FTIR） of Maifanite； （g） Pore size distribution of CMF 1； （h） Pore size distribution of CMF 2.
表1 奈曼旗地区麦饭石的元素组成 (%)
Table 1 Elemental composition of Maifanite in Naiman Banner
样品编号Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOMnOFe2O3
CMF 13.812.5820.0056.842.616.160.166.04
CMF 23.552.1721.6555.552.535.010.187.20
图2 奈曼旗地区麦饭石单轴抗压实验
（a） CMF 1实验前状态；（b） CMF 2实验前状态；（c） CMF 1实验后状态；（d） CMF 2实验后状态。
Fig. 2 Uniaxial compressive test of Maifanite in Naiman Banner
（a） Pre-test condition of CMF 1；（b） Pre-test condition of CMF 2；（c） Post-test condition of CMF 1；（d） Post-test condition of CMF 2.
图3 奈曼旗地区麦饭石样品对Cd和Cr的单点吸附实验
Fig. 3 Single-point adsorption test of Cd and Cr by Maifanite in Naiman Banner
图4 奈曼旗地区麦饭石吸附重金属模型拟合
（a） CMF 1吸附Cr的动力学模型；（b） CMF 2吸附Cd的动力学模型；（c） CMF 1吸附Cr的韦伯—莫里斯内扩散模型；（d）CMF 2吸附Cd的韦伯—莫里斯内扩散模型；（e）CMF 1吸附Cr的等温吸附模型；（f） CMF 2吸附Cd的等温吸附模型。
Fig. 4 Fitting of heavy metal adsorption models for Maifanite
（a） Kinetic model of CMF 1-Cr；（b） Kinetic model of CMF 2-Cd；（c） Weber-Morris Model of CMF 1-Cr；（d） Weber-Morris Model of CMF 2-Cd；（e） Isothermal adsorption model of CMF 1-Cr；（f） Isothermal adsorption model of CMF 2-Cd.
表2 麦饭石吸附重金属动力学吸附模型拟合参数
Table 2 Fitting parameters of the kinetic adsorption model for heavy metal adsorption by Maifanite
样品名称伪一级动力学方程伪二级动力学方程
伪一级反应速率常数/min-1吸附量/（mg/g）决定系数伪二级反应速率常数/［g/（mg⋅min）］吸附量/（mg/g）决定系数
CMF10.20±0.030.92±0.040.9740.17±0.051.15±0.090.968
CMF20.45±0.032.08±0.040.9910.24±0.032.35±0.050.993
表 3 麦饭石吸附重金属韦伯—莫里斯内扩散模型
Table 3 Weber-Morris internal diffusion model of heavy metal adsorption by Maifanite
样品名称内扩散率常数1表面吸附效应常数1决定系数1内扩散率常数2表面吸附效应常数2决定系数2内扩散率常数3表面吸附效应常数3决定系数3
CMF10.54-0.450.990.220.090.890.000.901.00
CMF21.09-0.300.990.301.090.990.031.970.41
表4 麦饭石吸附重金属等温吸附模型拟合参数
Table 4 Fitting parameters of isothermal adsorption models for adsorption of heavy metals by Maifanite
样品名称Langmuir等温吸附模型Freundlich等温吸附模型
理论最大吸附容量/（mg/g）Langmuir系数/（L/mg）决定系数Freundlich常数异质性因子决定系数
CMF10.90±0.140.02±1×10-40.850.10±0.030.38±0.050.93
CMF25.572×10-3±1×10-40.932×10-3±5×10-41.24±0.040.99
图5 吸附重金属后麦饭石的表征图
（a） CMF 1吸附Cr的XPS全谱图；（b） CMF 1吸附Cr后的2p精细谱图；（c） CMF 2吸附Cd的XPS全谱图；（d） CMF 2吸附Cd后的3d精细谱图；（e） CMF 1和CMF 2的Zeta电位图。
Fig. 5 Characterization of heavy metals adsorbed by Maifanite
（a） XPS survey scan of CMF 1-Cr；（b） The high-resolution Cr 2p XPS spectrum of CMF 1-Cr； （c） XPS survey scan of CMF 2-Cd； （d） The high-resolution Cd 3d XPS spectrum of CMF 2-Cd；（e） Zeta potential of CMF 1 and CMF 2.
图 6 麦饭石防控土壤—地下水中特征重金属的机制模式图
Fig. 6 Mechanism pattern diagram of the control of characteristic heavy metals in soil-groundwater of Maifanite
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