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有机污染物在土壤中的吸附和解吸行为对其在环境中迁移、转化、归宿以及生物可利用性和毒性有着重要的影响。解吸过程,控制着土壤中有机污染物的再次释放以及释放的速率和程度。天然土壤在组成上包括土壤有机质(“软碳”类和“硬碳”类)和无机矿物等,它们分别对有机污染物的吸附/解吸行为有着不同的影响机制。因此,理解土壤中各个组分对污染物吸附与解吸迟滞的调控机理对于建立准确的污染物迁移归趋模型、制定有效的修复方案及合理进行生态风险评价具有重要意义。
本研究选取中国两种天然土壤南京土和草甸土以及分别经过375℃煅烧和600℃煅烧后的产物作为吸附剂,分别表征原土、除去大多数有机碳剩余黑碳和矿物的土壤、以及除去全部有机碳只剩矿物的土壤。以非极性芳香族化合物1,4-二氯苯(DCB)和极性芳香族化合物1,3-二硝基苯(DNB)作为目标污染物,通过实验室批量吸附和多步解吸实验,研究了这两种芳香族污染物在不同土壤或其组分上的吸附与解吸行为,采用Freundlich模型对吸附实验结果和双元平衡解吸(DED)模型对解吸实验结果分别进行拟合量化,并通过对比土壤不同组分的吸附/解吸行为特征,深入探讨了土壤各组分对不可逆吸附的控制机理。吸附实验研究结果表明,芳香族污染物在土壤上的吸附亲和能力并不仅仅与污染物的疏水性(Kow)和溶解度(Csat)相关,还与芳香环上取代基的电荷性能关系密切。芳香族有机污染物在土壤上的非疏水性作用表现为:极性硝基芳香族(DNB)>非极性芳香族(DCB)。极性和非极性芳香族污染物与土壤组分之间存在不同的作用方式。对于非极性芳香族污染物,对吸附起决定作用的是土壤黑碳组分,并且污染物浓度大小影响着黑碳组分的表面结合点位是否饱和。黑碳与非极性芳香族物质的强结合可能是由于芳香环上的π电子共轭作用引起的,也可能是由于黑碳微孔结构的分子筛效应,或是二者的共同作用。而极性芳香族化合物,可以与土壤中黑碳组分产生强烈的π-π电子供-受体作用,使得极性硝基芳香族物质在黑碳上的吸附明显增强。此外,极性芳香族化合物在土壤矿物组分中表现出的吸附能力最强,原因可能是吸附质与黏土矿物硅氧结构之间形成n-π电子供-受体作用,也可能是黏土矿物极高的表面积使吸附质的极性基团(硝基)和黏土矿物表面的可交换阳离子之间可以形成特殊的络合/极性相互作用。并且600℃煅烧可以把矿物表面的吸附点位充分暴露出来,从而很大程度上增强了对极性芳香化合物的吸附。解吸研究结果表明,极性和非极性芳香族化合物均表现出很明显的解吸滞后现象。当液相浓度极低时,固相浓度接近一个恒定值。与天然土壤相比,经过煅烧处理以不同程度去除土壤有机碳后,其解吸滞后现象更明显,且土壤不同组分对于解吸迟滞的影响表现为:矿物组分>黑碳组分>“软碳类”有机碳。吸附/解吸实验数据与传统的线性吸附模型和传统DED解吸模型差异很大,传统模型不能很好地拟合土壤不同组分的吸附/解吸,特别是对于极性污染物。然而,引入Freundlich吸附模型和新型DED解吸模型能对吸附态的极性和非极性芳香族污染物的释放规律进行准确地预测。