土壤腐殖物质对重金属的吸附特性及其机理研究

来源 :吉林农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lujunjun_1204
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以我国几种主要类型土壤(即暗棕壤、棕色针叶林土、黄棕壤、黄壤和砖红壤)为研究对象,在不同离子强度(0.010.1 mol·L-1)、Cu2+浓度(0800 mg·L-1)、溶液pH值(2.08.0±0.1)、反应温度(25oC55oC)和接触时间(51440 min)条件下土壤腐殖物质组分(HU和HA)对重金属离子(Cu2+或Pb2+、Zn2+、Cd2+)的吸附进行了系统研究。结合扫描电镜(SEM)、X-射线能量色散谱(EDS)、固态13C CPMAS NMR波谱、红外光谱(FTIR)和X-射线光电子能谱(XPS)等光谱分析技术,对吸附前后土壤腐殖物质表面形貌、元素分布状况和官能团结构进行了分析;利用延展X-射线吸收精细结构谱(EXAFS),探讨了吸附态Cu2+的局域配位结构。结果表明:1.棕色针叶林土和黄壤两种土壤腐殖物质组分含有相似的官能团结构。由热力学拟合参数可知,准二级动力学方程(可决系数R2>0.99)能更好地拟合土壤HU和HA对Cu2+的吸附,Langmuir方程对土壤HU吸附Cu2+的拟合效果更优(R2>0.96)而Freundlich方程拟合土壤HA吸附Cu2+的效果更佳(R2>0.98)。棕色针叶林HU和HA对Cu2+的最大吸附量qm值(175.4和224.2 mg g-1)大于黄壤HU和HA对Cu2+的最大吸附量(166.7和217.4 mg g-1),HU和HA的吸附是易于进行的非均匀表面反应。Cu2+在土壤HU和HA表面具有相似的配位点和配位结构,土壤HU和HA样品的Cu-O/N第一配位层中,与中心Cu原子配位的O或N原子数约为4,原子间距约1.931.94?;Cu-C第二配位层中,约有2个C原子数与Cu原子配位,原子间距约2.792.84?。吸附反应之后,两种腐殖质组分的表面形态均发生了变化,羧基、羟基和芳香族N等参与了Cu2+的吸附反应,Cu2+主要吸附在土壤HU和HA的C、N、O有机官能团上而不是与矿质组分相结合。2.为了弄清土壤HU和HA吸附Cu2+的差异,我们论证分析了三种典型土壤制备的HU和HA,胡敏素的脂族性较高,极性较小。准二级动力学方程能更加准确地描述土壤胡敏素和胡敏酸的吸附动力学,Langmuir模型更好地拟合分析吸附等温线。就吸附量大小而言,Cu2+对HU的吸附量比对HA的小。证实了Cu2+是以内层复合物的形式同HU和HA表面的有机官能团上的O/N、C原子结合在一起的。3.在不同溶液pH值、离子强度、接触时间、反应温度、金属离子种类和浓度以及添加外源有机酸等条件下,暗棕壤胡敏素对金属离子的吸附结果表明:(1)无论单一金属离子还是多种金属离子共存,其吸附量顺序均为Pb2+>Cu2+>Zn2+>Cd2+;多种金属离子共存时,对胡敏素表面的吸附位点存在着竞争作用,即胡敏素对某种单一金属离子的吸附量要大于该种金属离子与其它金属离子共存时的吸附量;与某种金属离子共存的其它金属离子的种类越多,则胡敏素对该种金属离子的吸附量越低;金属离子共存条件下,胡敏素对某种金属离子的吸附量也与共存金属离子的类型有关。(2)pH增加,胡敏素对金属离子的吸附量随而增加,但离子强度则呈相反的效应。(3)随时间延长、Cu2+浓度增加、温度升高,吸附量增加;吸附动力学符合准二级动力学方程,是需要能量的物理吸附,从反应机制来讲属于缔合反应;吸附等温线符合Langmuir和Freundlich方程,但前者的拟合效果更好,是自发、吸热和自由度增加的过程。(4)当胡敏素与EDTA和有机酸(包括柠檬酸、酒石酸和草酸)共存时,对金属离子的吸附量减少,降低的顺序为EDTA>酒石酸>草酸>柠檬酸。此外,与未纯化的粗胡敏素相比,经纯化后,胡敏素对金属离子的吸附量明显增加,说明矿物共存降低了胡敏素对金属离子的吸附能力。
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