金属-有机骨架材料吸附土壤气中VOCs并用于风险评估

摘要

Johnson-Ettinger（J&E）模型被广泛应用于计算污染场地挥发性有机物（VOCs）呼吸吸入暴露途径对人体的健康风险，但理论和实践证明通过该模型计算的风险和修复目标过于保守，会造成过度修复和资金浪费。论文引入国际先进模型Dual-Equilibrium Desorption（DED）模型对J&E模型计算的健康风险进行修正，同时在实验室以优选出的金属有机骨架材料（MOFs）作为吸附剂吸附并实测土壤气相（土壤污染物赋存于水、土、气三相）中VOCs含量并计算风险，以期获得两种模型（J&E和JE-DED）适用的最佳土壤条件，以指导实际场地风险评估。为此本论文完成了以下研究工作。 一、以对苯二甲酸、二甲基咪唑、富马酸等为配体，选用Cr3+、Zr4+、Zn2+等金属离子，合成MIL-101、ZIF-8、UIO-66、MOF-801等MOFs材料并对其进行红外分析、元素分析、XRD、氮气吸附-脱附等温线、热重分析等表征。此外还制备了膨胀石墨。 二、用合成的系列MOFs材料及膨胀石墨、球形活性炭、HiSiv1000和HiSiv3000分子筛对目标分析物进行吸附研究，筛选出吸附性能最好的吸附材料MIL-101并用其吸附和测定土壤气中的VOCs含量，以便后续计算实测土壤气的健康风险水平。 三、以MIL-101吸附测定北京潮土和黑龙江黑土土壤气中三氯乙烯浓度计算风险值并与J&E、JE-DED两种模型计算的风险比较，结果表明： ①较之J&E预测结果，JE-DED与基于实测土壤气计算的风险结果更加一致；有机质含量高的黑土一致性高于有机质含量低的潮土； ②对于两种不同土壤，J&E模型计算结果均过于保守。 四、开展了苯土壤气的研究，将J&E模型和JE-DED模型计算的风险值与基于实测土壤气中苯浓度计算的风险值进行比较，除得到与上述实验一致的结论外，还可得到以下结论： ①亲水性越高的VOCs采用J&E模型计算的健康风险越保守； ②有机质含量及VOCs溶解度是影响J&E和JE-DED预测结果准确度的两个重要因素，土壤有机质含量越高、VOCs溶解度越小，JE-DED与基于实测土壤气计算的风险结果一致性越好。基于上述研究结论，结合JE-DED模型对中南地区某污染场地进行了风险评估，制定了合理的修复目标，为污染场地的修复节约了几个亿的治理成本。 通过实测土壤气VOCs浓度预测风险并确定修复目标的研究表明，基于JE-DED模型进行风险评价在一定程度上可以避免J&E计算过于保守的问题，可以更加真实客观地反映场地污染程度而避免过度修复产生资源浪费，为未来JE-DED模型在场地健康风险评估上的应用提供了理论和实践依据。