铜地网对土壤重金属污染的评估与环保对策

邵建人

摘  要：本文介绍了土壤重金属污染的特点、国内外土壤污染与治理的现状，论证了使用铜材做电力接地网必然造成土壤重金属污染，提出了使用纳米碳防腐导电涂料保护传统碳钢地网的环保对策。

关键词：铜地网；重金属污染；环保对策

0 前言

近年来，随着我国电力容量的增大和电压等级的升高，国内屡屡发生因交流系统工作接地网被腐蚀而引发重大电力运行事故。面临严峻的地网腐蚀现状，有学者提出用铜材做500kv及以上地网。铜是一种重金属，我们不禁要问：用铜做地网会污染土壤环境吗？土壤重金属污染有何特点？铜污染究竟有多大危害？前事不忘，后事之师。在环保呼声日益高涨的今天，我们要借鉴国内外土壤铜污染的案例，反思自己的地网防腐措施，为子孙后代留下一方净土。

1 土壤、重金属污染及重金属污染元素

1.1什么是土壤？

土壤是指地表具有肥力、能够生长植物的疏松土层，其深度一般在2m左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力，并为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。

1.2什么是土壤重金属污染？

当土壤中某些重金属物质的含量超过了土壤的自净能力，并通过“土壤→植物→人体”或“土壤→水→人体”被人体吸收，并危害人体健康，就是土壤重金属污染。随着物质文明的发展，越来越多的重金属废弃物及含重金属的废水不断向土壤渗透，导致了土壤重金属污染。

1.3土壤重金属污染元素有哪些？

土壤重金属污染元素类较多，其中危害性较大的有铜、汞、铬、镉、镍、铅等。这些重金属妨碍土壤正常功能，降低农作物产量和质量，并通过食物链影响人体的健康。

2 土壤重金属污染的危害

2.1土壤重金属污染导致生物品质不断下降

我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的重金属污染，粮食、蔬菜、水果等食物中铜、镉、铬、砷、铅等重金属含量超标或接近临界值。土壤重金属污染明显地影响到植物的生物品质，如蔬菜水果的味道变差，易腐烂，甚至出现难闻的异味等。

2.2土壤重金属污染危害人体健康

土壤重金属污染物被植物吸收，通过食物链在人体内累积而引发某些疾病。上世纪 50、60年代是日本战后经济腾飞期。由于片面追求工业发展，加之当时对环境问题缺乏应有的认识，因此日本曾出现过一系列重金属污染造成的公害，至今还有人不断提出起诉和索赔要求。我国对土壤重金属污染所造成的危害缺乏全面调研，但从个别城市调查结果看，情况不容乐观，如广州、沈阳等地污水灌溉区的癌症死亡率比对照区（清水灌溉区）高出10多倍。

2.3土壤重金属污染导致其他环境问题

土壤受到重金属污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作用下进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和生态系统退化等环境问题。北京市的大气扬尘中含有大量重金属，并通过呼吸作用进入人体。这一过程对人体健康的影响类似食用重金属污染的食物。

3 土壤重金属污染的特点

3.1土壤重金属污染具有隐蔽性和滞后性

大气污染、水污染和废弃物污染一般都比较直观，通过感官就能发现。而土壤重金属污染则不同，它往往要通过对土壤样品进行分析化验，对农作物样品进行残留检测，甚至要通过对人畜健康状况进行诊断才能确定。因此，土壤重金属污染从产生污染到出现问题通常滞后较长的时间。

3.2 土壤重金属污染具有累积性和顽固性

大气和水体受到重金属污染，切断污染源并通过自净化作用，可使污染不断减轻。土壤重金属污染则不易扩散迁移，因此土壤重金属污染可不断积累而造成危害。土壤重金属污染还是一个不可逆转的过程。土壤重金属污染一旦发生，只有靠工程治理方法，如换土、淋洗土壤等浩繁工程才能解决问题。因此，土壤重金属污染具有顽固性，治理成本较高、周期较长。

4 土壤重金属污染是人类未来最严峻的环境问题

4.1美国超级环保基金计划

美国是用铜材做电力接地网的。20世纪末，美国投入２００多亿美元启动了一项“超级环保基金计划”，解决地下水重金属污染问题。该计划方案是将地下水抽出后净化，再注回地下。计划执行一段时间后发现，土壤中重金属污染物使净化后的地下水再次被污染。由此，治理土壤重金属污染被当作一项环保难题提出来了。

4.2 我国缺乏相应的专家储备应对土壤重金属污染

我国曾颁布土壤质量环境强制标准（GB 15618－1995），虽然也将铜作为具有污染性的重金属提出，但该标准的适用范围及土壤环境标准值受到质疑。面临土壤重金属污染，国内缺乏相应的专家储备、技术储备。全国迄今没有组织过土壤重金属污染普查。我们无法告诉公众国土重金属污染范围和污染程度究竟有多大；无法告诉公众土壤重金属污染的承受力何时达到极限；更无法告诉公众应该在什么时候采取什么样的应对措施。土壤完全恢复原貌可能需要上百年，而我们现在却什么都没有做。

4.3 土壤重金属污染是人类最严峻的环境问题

土壤的物理特性决定土壤极易被重金属污染。虽然土壤对重金属污染物的容纳能力相对大气和水体要大得多，但土壤一旦被污染，就很难清除。以现有的科技水平看，土壤重金属污染是不可逆的，一旦土壤重金属污染发展成生态灾难，其危害和损失将难以估量。

5 土壤铜污染对人类的危害

5.1铜的化学特性

重金属铜位于元素周期表中的ⅠB族元素，铜的基本化学特性由其特殊的电子层结构决定。铜原子失去价电子后变成18电子型的稳定结构。这种18电子型离子不同于8电子型离子，它的原子半径比8电子型大，并具有很强的极化力。从化学性质上看，铜具有催化性和螯合性。生物组织中的官能团如-SH、-NH2、-NH、-COOH、-OH等都可与重金属铜配位生成稳定的螯合物而失去生物活性。这些特性使得铜在生态环境中对生物的毒性表现得非常明显。

5.2 土壤铜污染对生态的危害

铜污染主要是妨碍农作物（特别是水稻和麦子）的正常生长发育。例如，土壤铜污染破坏水稻根系正常代谢功能，导致水稻生长不良而减产。据台湾省环保署2002年8月发表的农田土地重金属污染调查报告，台湾省彰化县铜污染最为严重，其次为新竹市、桃园县、屏东县、台中县、高雄县、台南县、台南市、台北县、苗栗县、南投县、台中市等。2001年9月，台湾省屏东县潮州镇地区因土壤埋有含铜废弃物，导致铜木瓜事件发生，造成瓜农极大损失。台湾省环保署表示，各县市受污染的农作物将由各地环保局进行确认销毁，在2年内完成治理并对农民进行相关赔偿。铜对水生物的毒害也很大，台湾省西部沿海养殖场曾发生铜污染引起牡犡变绿事件，事后制定了水污染防治法。日本有关防止土壤重金属污染的法律明确规定，铜为特定的有害物质。日本环境专家认为，土壤铜污染可破坏土壤的生物学功能，引起植物生长受阻，导致某些物种灭绝。

5.3 土壤铜污染对人类健康的危害

铜被农作物吸收后进入食物链，最终被人吸收。过量的铜与人体内的蛋白质和酶结合，产生不可逆的变性，导致生理代谢过程障碍，或与脱氧核糖核酸相互作用而导致生理突变。人食入过量铜后，可在肝、脑、肾等组织中积累，而引发肝铜病、脑铜病和肾铜病。据东北新闻网2004-12-08报道，辽宁阜新铜厂污染地下水，附近居民出现不同程度的腹痛、腹泻、眩晕、胸闷、浮肿等症状。这些中毒居民所根本无有效药物对症治疗。医学研究表明，高铜可使动脉粥样硬化并加速组织细胞的老化和死亡；铜在大脑中某些部位沉积，可导致脑萎缩、神经元减少和退行性病变，最后发展为老年性痴呆。我国《食品中铜限量卫生标准》（GB15199－1994）强制规定了食品中铜限量卫生标准。食品中铜限量卫生指标如表1所示。

表1 《食品中铜限量卫生标准》（GB15199－1994）

6 防治土壤铜污染要从源头抓起

6.1 土壤铜污染的治理十分困难

铜原本以天然浓度广泛存在于自然界中，并不存在污染问题。由于人类对铜矿的开采、冶炼以及铜的使用、废弃日益增多，便引起了铜污染。湖北省大冶市铜绿山古铜矿冶炼遗址，是我国春秋早期炼铜史活教材，2001年被评为“中国二十世纪100项考古重大发现之一”。2千多年过去了，大冶湖水中铜离子浓度明显高于其它水域中铜离子浓度；被铜污染了的大面积土壤只能生长一些杂草及零星的小灌木；以古铜矿冶炼遗址为圆心，方圆几十公里为无人区。这再次说明土壤铜污染具有不可逆的特点，因而治理十分困难。

6.2 铜地网是最大的土壤重金属污染源

人类文明带来的含铜废弃物已使得土壤铜污染与日俱增，土壤环境质量变得极其脆弱。我们要充分认识土壤铜污染的累积性和顽固性，严格控制铜的污染源。我国发电厂、变电站星罗棋布，如果我们直接将几十乃至上百吨铜材埋入不足1米深的土壤里做地网，这可是世界上最大的重金属污染源，国土资源将被大面积污染！

6.3 保护生态环境，对铜地网说“不”

对于我们这样一个人口众多的农业大国，首要任务是保护农业生态环境。土壤环境质量问题关系到经济可持续发展的战略性大问题，它直接影响农产品的产量和品质，并通过食物链影响人类健康。我国的环保方针是预防为主。坚持科学发展观就是要坚持人与自然的和谐发展；治理土壤铜污染的首要任务就是要控制土壤铜污染源。为此，我们对铜地网大声疾呼：“不！”

7 用纳米碳防腐导电涂料保护碳钢地网的环保对策

7.1纳米碳防腐导电涂料的性能及应用

7.1.1纳米碳防腐导电涂料的导电性

纳米碳防腐导电涂料是在镍粉和石墨防腐导电涂料挂网运行经验的基础上，研制的新一代防腐导电涂料。纳米碳作为导电添加剂，比石墨和镍粉赋予涂料更好的导电性。纳米碳、石墨和镍粉的物质结构与导电性对比如表2所示。

表2  镍粉、石墨和纳米碳的物质结构与导电性对比

7.1.2纳米碳防腐导电涂料的防腐性

当导电材料的粒径φ＞100nm时，它与成膜物质之间只是一种简单的物理混合，界面分明，补强性和封闭性差；当导电材料的粒径φ＜100nm时，其比表面积很大，表面能也很大，具备纳米材料的共性。此时，纳米导电材料与成膜材料以几乎同一数量级的粒径相互渗透，彼此无明显的界面。纳米涂料封闭功能好，电解质溶液无法渗透到涂层内部。由于采用纳米技术，纳米碳防腐导电涂料的防腐性比一般涂料更好。

7.1.3纳米碳防腐导电涂料的热稳定性

纳米碳防腐导电涂料的热稳定测试在武高所动热稳定实验室进行（30KA、3S）。热稳定测试前涂层的直流电阻为0.15Ω；通电时扁钢被烧红，在第2.3秒时扁钢被30KA大电流击断；扁钢冷却后，可观察到涂层未被烧失，测得涂层直流电阻为0.03Ω。为什么涂层的电阻率会变小呢？在扁钢被烧红时涂层烧结，纳米碳变得更致密，电阻率变得更小。在中性点直接接地的交流送电系统中，故障时会有数十千安的短路电流经地网入地。热稳定试验说明，一旦地网遭受雷电或短路事故形成的大电流冲击时，纳米碳防腐导电涂料不会被烧毁。

7.2纳米碳防腐导电涂料的科技成果、企业标准及发明专利

纳米碳防腐导电涂料通过了湖北省科技厅主持的成果鉴定。该项技术的鉴定证书号为：鄂科鉴字[2003]第22273130号；成果登记号为：EK030559；发明专利号为：ZL 03 1 25237.0；该产品的企标标准号为Q/WHRY01-2003；企标标准备案号为QB420111/1417-2003。纳米碳防腐导电涂料的主要技术指标有：附着力1级、电阻率10^-3Ω·cm、大电流冲击30kA/3s。部分用户单位对涂有纳米碳防腐导电涂料的地网开挖检查，发现涂膜完好、表面接触电阻无变化。

8 结论

①土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和顽固性，土壤重金属污染是人类在不久的将来必将面对的最严峻的环境问题，人们最终会发现：攻克环境污染这个世纪难题，最后的堡垒就在自己的脚下；

②土壤铜污染破坏土壤的生物学功能，引起植物生长受阻，导致某些物种灭绝；

③过量的铜与人体内的蛋白质和酶结合，产生不可逆变性，导致生理代谢过程障碍；

④治理土壤铜污染的首要任务就是要控制土壤铜污染源，铜材地网是最大的土壤污染源，为此我们对铜地网大声疾呼：“不！”

⑤纳米碳防腐导电涂料既能保护碳钢地网不被腐蚀，又能满足地网热稳定及接地电阻的设计要求，其适用性与环保性越来越受到高电压工作者和地网设计专家的关注与青睐。

参考文献：

[1]马耀华，刘树应. 环境土壤学. 西安：陕西科学技术出版社，1998: 198-201.

[2]王焕校. 污染生态学. 北京：高等教育出版社，2000: 188-213.

[3]方凤满，王起超. 土壤重金属污染研究进展. 土壤与环境，2000，9.

[4]吴龙华，骆永明. 铜污染土壤研究. 土壤，2000，32.

[5]ZUPANCIC N. Lead contamination in the Roadside Soil of Siovenia. Environ. Geochemistry and Health, 1999, 21.

[6]Taylor M D. Accumulation of cadmium derived fyom fertilizers in New Zealand soil. Sci.Total Environ,1997, 208.

[7]陈怀满，郑春荣. 中国土壤重金属污染现状与防治对策.人类环境杂志，1999，28.

[8]张书海，沈跃文. 污灌区重金属污染对土壤的危害. 环境监测管理与技术，2000，12.

[9] ANTHONY CARPI. Methyl mercury contamination and emission to the atmosphere from soil amended with municipal sewage sludge. J Environ Qual, 1997, 26.

[10]张辉，马东升. 城市生活垃圾向土壤释放重金属研究.环境化学，2001，20.

[11]王文祥. 山东省耕地重金属元素污染状况及其评价. 土壤，1993，25.

[12] 王慎强，陈怀满. 我国土壤环境保护研究的回顾与展望. 土壤，1999，31.

[13]余贵芬. 重金属污染土壤治理研究现状. 农业环境与发展，1998，4.

[14]李书鼎. 土壤植物系统重金属长期行为的研究. 环境科学学报，2000，20.

[15] Jhonf.Scamegorn Phewomena in Mixed Surfactant Systems．ACS Symposium Series．New Yourk：Marced Dkker,1998．

[16]荻原正明．静电分离技术．东京:静电气学杂志，1993．

[17]邵建人.纳米碳的集聚性、分散方法和应用．武汉：武汉市科技局纳米材料研究、应用和产业化研讨会论文集，2001．

[18]邵建人．交流系统电力接地网的腐蚀与防护. 香港：香港工程院防腐蚀，2002，4.

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