《火影忍者》是一部广受青少年喜爱的动漫作品，其中的一个人气角色我爱罗擅长施展沙遁、土遁类忍术，如对战君麻吕时使用的沙瀑大葬术，将君麻吕封印于200米下的地底。当然，《火影忍者》纯属虚构。但是现实世界中，也有雷同的现象，通过类水滑石（LDHs）这一二维层状黏土，封印有害重金属镉。镉（Cd）是元素周期表中的第48号元素。自从上世纪初发现Cd元素以来，Cd的产量逐年增加。Cd被广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域。在工业生产中，相当数量的Cd通过废气、废水、废渣排入生态环境，造成污染。当土壤中存在Cd时，Cd很容易被农作物所吸附。2013年5月，湖南省3家大米厂生产的大米在广东省被查出Cd超标。长期食用Cd超标的农产品，Cd会在肾脏中累计，最后导致肾衰竭、骨质疏松等症状。我国1990年《中华人民共和国土壤环境背景值图集》公布的全国范围内调查的4095个分析样点的Cd含量平均值为0.097mg/kg，而2014年，这一数值达到0.300mg/kg，表明近年来有大量的Cd进入土壤。因此，如何治理土壤中的Cd是目前关乎国计民生的一个重要问题。
目前常用的治理土壤中污染物Cd的方法包括：土壤清洗、电动力学萃取、固化、植物修复等。然而，以上方法在大规模应用中均存在成本高、耗时久、改变土壤物化性质等缺点。因此，北京化工大学资源化学研究所段雪院士团队想到了原位固化的方法，将Cd转化为稳定的沉淀，这样就无法被农作物所吸收。段院士团队长期研究层状复合金属氢氧化物（即LDHs）材料，在LDHs中，层板中的金属原子，被6个羟基包围在八面体中心。如果将Cd原子以LDHs的形式沉淀，Cd原子不会轻易从LDHs层板脱落。
那么，如何将土壤中的Cd原子引入LDHs中呢？段院士团队使用了钙铝水滑石（CaAl-LDH），与土壤中的Cd离子反应，生成镉铝水滑石（CdAl-LDH）。反应方程式为Ca12Al6(OH)36(CO3)3 + 12Cd2+ → Cd12Al6(OH)36(CO3)3 + 12Ca2+。那么，这个反应是否能自发进行呢？这里需要解释一个概念，在实验室进行化学反应，反应在能量上可以是吸热的，或者说上坡反应。这是因为在实验室里，我们可以通过加热、加电压、光照的方式，给反应提供驱动力。而在土壤治理中，要施加这些反应条件会增加成本，因此我们希望这个反应能自发进行，即在能量上是放热的，下坡反应。那么这个反应是否能自发进行呢？
我们通过密度泛函计算的方法，计算了Ca12Al6(OH)36(CO3)3中，每使用1个Cd离子同晶取代1个Ca离子的能量变化，如下图所示。可以看出，每1个Cd离子同晶取代1个Ca离子，都是能量有利的下坡反应，平均的Gibbs自由能变为−0.338 eV。
那么，接下去又会有一个问题：理论计算是在理想条件下进行的，现实世界里的土壤，成分十分复杂，是否同样遵循这个规律？段院士团队在10公顷的土地上进行了3年的实验。如下图所示，土壤中Cd离子的含量逐年降低。
综上，CaAl-LDH可以通过成核-晶化隔离法大规模工业化制备。不同于其它稳定剂，土壤中的Cd离子可以被CaAl-LDH通过同晶取代的方式，以CdAl-LDH沉淀的形式固定。去除量可达592mg/g，7天内的固定效率可达95.2%。
北京化工大学科普实验中心
