不同地区土壤对三价锑的吸附行为及滞留机理研究

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锑(Sb)是一种具有慢性毒性和潜在致癌性的元素,与其它重金属相比,一直以来受到的关注度较小,但作为砷(As)的同主族元素,Sb对人体的危害并不亚于As,土壤中的无机锑含量较高,且一般以三价和五价的形式存在,Sb(Ⅲ)的毒性远大于Sb(V),探究Sb(Ⅲ)在土壤中的滞留机理对于土壤锑的污染防控具有重要的意义。众多研究表明土壤本身就是一种良好的吸附剂,不同的土壤由于自身性质的差异,对重金属具有不同的吸持能力。土壤中的黏土矿物,特别是铁锰氧化物等对土壤吸附重金属有较大的影响。本文测定了全国八个省及直辖市十个不同地区土壤的理化性质以及土壤中不同形态铁锰氧化物的含量,并测定了土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量,分析了土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量与土壤理化性质、铁锰氧化物的相关性,厘清了土壤吸附Sb(Ⅲ)的主控因子,探讨了土壤对Sb(Ⅲ)的滞留机理。主要研究工作及结果如下:(1)测定了十个不同地区土壤的理化性质以及各形态铁锰氧化物的含量。十个土壤除了#8号土壤为酸性土壤外,其它均为为中性或弱碱性土壤;所试土壤的有机质(SOM)含量均较低,差异也较小;而阳离子交换容量(CEC)差异较大,介于7.10~32.48 cmol/kg之间;#9号土壤为沙土,砂粒占比达97.80%,其它土壤均为粘土,十个土壤的粘粒含量在16.10%~43.10%之间,粉粒含量在2.20%~77.40%之间,砂粒含量在2.30%~97.80%之间;十个土壤氧化铁总量在14.6×103~51.3×103 mg/kg之间,氧化锰总量介于129~596 mg/kg之间,不同地区土壤氧化铁和氧化锰总量差异较大;显著性分析结果显示不同地区土壤不同形态的铁锰氧化物含量也存在较大差异;相关性结果表明,土壤氧化铁总量与游离铁含量、无定形铁含量存在正相关关系,土壤游离铁含量与无定形铁含量呈正相关,无定形锰含量与游离锰含量、络合锰含量呈正相关。(2)探究了影响土壤吸附Sb(Ⅲ)的主要因素。温度的影响极小,固液比、吸附振荡时间、pH以及SOM含量存在一定的影响。同一土壤,土壤对Sb(Ⅲ)的吸附容量随pH值的增大或SOM含量的降低而减小。通过静态吸附实验,测定了不同地区土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量,十个土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量介于0.68~3.98 mg/g之间,差异较为显著,其中#10号土壤最高,#9号土壤最低。土壤对Sb(Ⅲ)的吸附量顺序为:红壤>棕壤>黄壤>褐土>沙土。(3)对土壤吸附Sb(Ⅲ)进行了等温吸附和动力学分析,结果表明,十个土壤对Sb(Ⅲ)的吸附均符合准二级动力学方程,相关系数在0.91以上,吸附速率常数值随初始Sb(Ⅲ)浓度的增大而减小,拟合平衡吸附容量与实验平衡吸附容量基本吻合。等温吸附拟合结果表明,不同地区土壤对Sb(Ⅲ)的吸附最符合Langmuir方程,相关系数介于0.80~0.96之间,此外,对于Tempkin方程和Florry-Huggins方程的拟合结果也较好,说明土壤对Sb(Ⅲ)的吸附是单分子层吸附,以化学吸附为主。(4)利用SPSS 21.0分析了土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量与土壤的理化性质、各形态铁锰含量的相关性,结果表明土壤对Sb(Ⅲ)饱和吸附容量与CEC之间存在极显著正相关关系,相关系数为0.815**;与无定形铁含量呈极显著正相关,相关系数为0.833**,与氧化铁总量、游离铁含量呈显著正相关,相关系数分别为0.776*和0.685*;与游离锰含量、无定形锰含量呈显著正相关,相关系数分别为 0.645*和 0.643*。(5)对土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附容量、土壤理化性质、氧化铁和氧化锰总量、不同形态铁锰氧化物含量进行主成分分析和因子分析。结果表明,主成分F1中因子载荷量的绝对值大小排序为:饱和吸附容量(X1)>氧化铁总量(X2)>CEC(X3)>无定形铁含量(X4)>游离铁含量(X5)>无定形锰含量(X6)>游离锰含量(X7)。土壤CEC、氧化铁总量、游离铁含量、无定形铁含量、无定形锰含量以及游离锰含量是影响土壤对Sb(Ⅲ)的饱和吸附量的主控因子。(6)对土壤滞留Sb(Ⅲ)的机理进行了综合分析。土壤的基质很复杂,其对Sb(Ⅲ)的吸附不是单一因素的影响,而是多种因素交互作用的结果,这种交互作用很大程度是以土壤中铁锰氧化物作为介质。
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