重金属汞在中国两种典型土壤中的吸附解吸特性研究

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我国东北地区是重要的粮食生产基地,同时也是重要的老工业基地。重金属污染是其环境污染的主要特征之一,其中土壤汞污染是这一地区历史悠久、污染突出的环境问题,对自然生态环境安全、人类健康和社会经济发展造成了巨大的潜在威胁。重金属污染土壤的治理与修复,首先要了解土壤重金属的有效性,其有效性的大小与重金属在土壤界面中的吸附.解吸密切相关,尤其是重金属进入土壤之后的吸附-解吸行为是其主要作用机理。重金属在土壤中的吸附-解吸作用是影响其在环境中的浓度、迁移、转化、生物可利用性及毒性的重要过程。因此,结合东北黑土独特的化学结构和区域特征,研究重金属汞在典型黑土中的固定与释放机制,对了解东北老工业基地土壤中汞的污染危害性具有十分重要的理论和实际意义,为治理汞污染土壤提供理论基础。本研究选择东北典型黑土为供试土壤并以南方典型红壤作为对照,通过室内模拟实验研究了Hg(Ⅱ)在这两种土壤中的热力学和动力学吸附特性。分别对热力学和动力学吸附实验取得的数据进行拟合分析,并进行了多种物理及化学环境影响因素的控制实验,以此探讨这两种中国典型土壤对Hg(Ⅱ)的吸附特性,比较其吸附-解吸性能的异同表现,以期充分认识吸附-解吸机理和规律。本文的主要研究内容和结果如下:(1)25℃时Hg(Ⅱ)在黑土和红壤中的等温吸附-解吸实验结果表明:两者对Hg(Ⅱ)均具有较强的吸附能力,能吸收大于95%的外加Hg(Ⅱ),其中黑土对Hg(Ⅱ)的最大吸附量(5122 mg kg-1)要远高于红壤(1781 mg kg-1),约为后者的3倍。两种土壤结合Hg(Ⅱ)的解吸量和解吸率都非常低(<0.5%),且红壤的解吸率高于黑土。(2)Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程都适合用来描述Hg(Ⅱ)在土壤中的等温吸附过程。通过相关系数的比较,黑土对Hg(Ⅱ)的等温吸附曲线用Langmuir方程描述更佳,红壤对Hg(Ⅱ)的等温吸附曲线用Freundlich方程描述更佳。拟合方程的参数表明,黑土对具有比红壤更高的吸附容量,但红壤对Hg(Ⅱ)的吸附强度却大于黑土。(3)25℃时Hg(Ⅱ)在黑土和红壤中的吸附动力学实验结果表明:Hg(Ⅱ)在土壤中的吸附过程可分为开始的快速吸附和随后的慢速吸附两个阶段,快速反应阶段的吸附量和吸附速率均远大于慢速反应阶段。通过不同动力学方程的拟合和其相关系数的比较,Elovich方程最适合描述动力吸附过程。由拟合方程参数计算出,与红壤相比,黑土的瞬时吸附速率更大,平均吸附速率更快,快速反应阶段时间更短。(4)通过等温吸附实验中初始pH的梯度设定,发现初始pH对Hg(Ⅱ)在黑土和红壤中的吸附量基本没有影响。(5)进行了不同温度下Hg(Ⅱ)在黑土和红壤中的等温吸附-解吸实验,通过对数据进行热力学参数的计算,可知不同温度下Hg(Ⅱ)在两种土壤中的吸附自由能△G0均为负数,表示吸附可自动进行;焓变△H0也都为负数,表明两种土壤中Hg(Ⅱ)的吸附都为放热反应,且红壤的放热大于黑土;黑土的△S0基本为正值,说明分子吸附重排趋于无序;红壤的△S0则皆为负值,表明其吸附使微观分子趋于有序排列。Qm均为正值表明两种土壤对汞的吸附都较为牢固。(6)去除有机质对吸附影响的实验结果表明:有机质的去除使两种土壤对Hg(Ⅱ)的吸附能力都明显下降,对黑土的影响(最大吸附量减少50%)高于红壤(减少30%)。失去了有机质的黑土解吸率也大于红壤。(7)电解质浓度变化对吸附影响的实验结果表明:当以NaNO3为Hg(Ⅱ)在土壤中吸附的支持电解质时,其浓度变化对吸附量基本无影响。SO42-对吸附的影响实验结果也证明其浓度变化基本不改变吸附量。(8)Cl-对吸附的影响实验结果表明其浓度变化对Hg(Ⅱ)在土壤中的吸收有着极大影响。当Cl-浓度小于10-3mol L-1时,对吸收量影响不大;Cl-浓度由10-3mol L-1增加到10-1mol L-1时,土壤对Hg(Ⅱ)的吸附量急剧减少;Cl-浓度大于10-1mol L-1时,土壤出现负吸附,反而释放出原有吸附的汞。
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