有机改性土表面特性及对有机、重金属污染物吸附特征和机理的研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baoyw00
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随着工农业生产的发展,土壤环境中有机、重金属污染已越来越成为环境污染的主要形式。通过对粘土矿物或土壤进行修饰改性,探索利用改性粘土矿物或土壤消除污染物的途径已成为目前国内外研究的热点。迄今以阳离子型表面修饰剂为主体的修饰改性研究主要针对粘土矿物,其主要的吸附对象局限于有机污染物,而对于土壤的修饰改性研究较少,同时对于有机修饰改性土对重金属的吸附研究极少报道,利用修饰改性土对有机、重金属复合污染物进行同时吸附的思路更无人提及。当今在一些地区,有机物、重金属污染日趋严重的情况下,对有机改性土从理论和应用上进行深入研究,对探索解决有机物、重金属复合污染的有效途径具有重要意义。本文以陕西关中地区具有代表性的土作为供试土样,系统地研究了有机修饰改性土表面特性、阳离子型表面修饰剂十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)对土壤表面的修饰反应机制、修饰改性土对有机污染物苯酚、苯胺和重金属污染物镉、铬的吸附特征,以及两性表面修饰改性土对有机、重金属复合污染物的吸附特征。首次提出了用两性表面修饰剂对土壤进行修饰改性,利用两性表面修饰剂所具有的荷电基团和疏水基团达到对土壤中有机、重金属污染物同时吸附的思路和机理,并通过实验证实了所提设想的合理性;发现了土壤CEC值的50%修饰比例是CTMAB开始显现以疏水键机制对土土样表面进行修饰的临界点;揭示了有机修饰改性土对有机物、重金属吸附过程的热力学特征,填补了该项研究工作的空白;阐明了修饰剂在改性土表面呈分散态的非均匀分布,改性土表面具有不同性质表面共存的表面特征和对污染物多机制共存的吸附特征,确定了阳离子表面修饰剂在土表面的修饰是一种离子交换和疏水键结合两种机制相伴并行且为非等电荷量交换的修饰反应模式,以及土具有对CTMAB的吸附偏好性远大于对钙离子吸附偏好性的特征。研究的主要结论如下:1.在相同修饰比例下,不同修饰改性剂对土样表面性质的影响研究表明,不同修饰改性剂均使得改性土样的CEC、总酸度、表面吸附密度和点位密度小于相应的未改性原土;阳离子表面修饰剂使土样比表面增加,阴离子表面修饰剂SDS对土壤比表面的影响与土层有关,耕层改性土样中比表面略有增加,而粘化层改性土样有所减小;不同修饰改性剂均使土样CEC8.2、CECp下降,CTMAB修饰土样CECv减小,AEC升高,而SDS修饰土样CECv升高,AEC下降,TMA对CECv、AEC影响不大。结果表明,由于土表面具负电性和长碳链阳离子表面修饰剂对土样表面具有掩盖效应,长碳链阳离子型的CTMAB对土样表面特性影响较大,而短碳链的TMA由于不具掩盖效应,而SDS<WP=6>由于负电性,使得后两者对土样表面特性影响较小。随CTMAB修饰比例增大,两土层CEC、总酸度、表面吸附密度和点位密度均随CTMAB修饰比例的增加而减小,在低添加比例下下降较大,添加比例增大下降相对变缓,即使200%添加比例土样依然保持着相当数量的负电荷吸附点位;当CTMAB修饰比例小于100%时,两土层比表面均呈上升趋势,修饰比例由100%增加到150%时,比表面略下降;两层次土样CEC8.2、CECp、CECv均呈现随修饰比例增大而下降的趋势,AEC在100%修饰比例前增加,此后耕层土样AEC基本保持不变,但粘化层土样AEC却呈现下降趋势。CTMAB50%修饰比例(简称CTMAB改性临界比)是CTMAB从离子交换机制为主向疏水键结合机制转换过程中重要的转折点。相同修饰改性处理的土耕层、粘化层土样CEC、比表面变化的结果十分相似,粘化层的CEC、比表面值总是大于相应的耕层;总酸度随CTMAB修饰比例增大,粘化层下降趋势较快而耕层下降趋势较小;CEC8.2、CECp除200CB土样外均为粘化层高于耕层,耕层CECv、AEC高于粘化层。2.两层次土样对CTMAB的平衡吸附,在低温下,均呈现近直线型吸附等温线形式,在高温下,等温线形状转变为H型等温线形式,吸附起始段斜率表明两层次土样对CTMAB的吸附能力较强,等温线两线性段斜率随温度升高呈现相反的变化趋势,证实在土壤CEC值100%修饰比例前后吸附的机制发生了本质的变化,100%前以离子交换为主,100%后以疏水键结合为主。该结果也为以平衡常数法计算的CTMAB吸附过程热力学特征所证实,CTMAB以离子交换反应为主时自发性决定于熵增,以疏水键结合为主时,呈放热、熵减的反应特征,自发性由焓变决定。离子交换吸附实验中,Scc曲线变化结果表明在总浓度大于50%CEC时,CTMAB对土样表面的修饰已经开始显现疏水键结合模式,但只有当土壤表面形成的有机相达到一定程度(100%CEC)时,CTMAB的疏水键结合机制才成为修饰的主导模式;表观Vanselow 离子选择性系数Kv研究结果表明,土土样对于CTMAB的吸附偏好性远大于对Ca2+离子吸附的偏好性。两个温度下、两个层次土样的解吸等温线均呈直线形式,解吸等温线的斜率远小于吸附等温线的斜率,说明CTMAB在土两层次土样表面的吸附是不可逆的,粘化层解吸略高于耕层,解吸温度效应显示解吸过程是一个物理过程,解吸物主要是以疏水键形式结合的CTMAB分子。热力学特征同样表明解吸过程主要发生在疏水键吸附的CTMAB分子上。3.土土样经表面修饰改性后,对苯酚、苯胺的吸?
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