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多环芳烃是环境中广泛分布的一类疏水性有机污染物,它在河流沉积物上的吸附行为直接影响着其环境归趋和生态毒性。腐殖酸是土壤/沉积物有机质的主要成分,是影响沉积物吸附行为的关键因素。通过研究多环芳烃在腐殖酸和沉积物上的吸附行为,有助于了解和掌握吸附规律,阐述吸附机理。
目前关于多环芳烃在沉积物和腐殖酸上的吸附行为研究存在异议,主要集中在吸附剂有机构成对吸附行为的影响、吸附线性情况、环境因子的影响等几方面。本文针对以上情况,选取结构相近、性质相似、在环境中检出几率较高的两种多环芳烃--菲和芘为代表性污染物,以腐殖酸和沉积物为吸附剂,运用动力学、热力学和静态吸附等方法,研究了多环芳烃在改性后有机结构各不相同的三种腐殖酸和黄河、淮河、卫河三种沉积物上的吸附及解吸行为,系统考察了不同环境条件和共存污染物存在情况下吸附行为变化情况,分析了吸附解吸机理,得到了一些有意义的结果:
(1)吸附过程分为快速吸附平衡和慢吸附两个吸附阶段。研究表明,48小时即可基本达到吸附平衡(达30天吸附量的74%~84%),此后进入慢吸附阶段。
(2)菲和芘在腐殖酸和沉积物上的吸附呈非线性,适于用Freundlich吸附模型;吸附反应的焓变位于-11.1到-11.4 KJ/mol之间,吸附作用力为范德华力、氢键、偶极间力等,属物理吸附、放热反应。
(3)在沉积物上所测lg Kc值分别为3.84±0.09(菲)和4.90±0.04(芘)。总的趋势都是芘大于菲,疏水性强的多环芳烃类有机污染物更易于被吸附;吸附作用主要受有机质组分的制约,矿物质组分对吸附的影响较小。
吸附剂有机构成对吸附行为影响较大。肟化后腐殖酸中H/C比由1.4降至1.2,E4/E6由3.23降至2.33,表明芳香碳含量增加,“硬碳区”所占比例增大。实验结果显示,芳香碳组分的增加使腐殖酸吸附能力增强,解吸比例减小,不可逆吸附程度增强。
(4)低pH、高离子浓度和较长的吸附时间使n值减小、1gKf增大,吸附非线性增加,吸附能力增强。
(5)共存多环芳烃有机物可引起竞争吸附,总的趋势是吸附非线性减弱(n值增加)、吸附能力减小(1gKf减小)。
(6)辛醇/水分配系数可用以预测淮河沉积物对多环芳烃的吸附作用,芘的预测公式如下:1g Koc=1.001g Kow-0.21。
(7)解吸存在滞后现象。菲和芘在三种腐殖酸上的最大解吸比例仅为50%和30%。吸附质疏水性强、吸附剂有机质和吸附剂有机质中芳香碳含量高的体系,解吸滞后现象更加明显;解吸滞后性与初始浓度呈反相关,在低浓度时解吸滞后现象更为明显;吸附时间越长,解吸滞后性越强。
(8)本文提出“双区吸附--内通量限制”概念,来阐述多环芳烃在腐殖酸上的吸附机理,涵义包括:吸附行为存在三个过程--从液相向“软碳区”和“硬碳区”扩散及从“软碳区”向“硬碳区”扩散过程。在快速吸附平衡阶段,以液相向“软碳区”扩散为主:慢吸附阶段,以“软碳区”向“硬碳区”扩散为主。在多环芳烃从“软碳区”向“硬碳区”扩散过程中,其扩散作用受到“内通量”限制。