土粒表面电场作用下锌离子的吸附/解吸平衡与动力学

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有关土壤吸附重金属的研究,一直是土壤化学、植物营养和环境科学等领域的一个研究重点。土壤对重金属离子的吸附/解吸与土壤表面电荷性质密切相关。由于恒电荷土壤和可变电荷土壤的表面电化学性质明显不同,可以得知重金属离子在这两类土壤中的吸附/解吸行为也不相同。目前对于土壤中的重金属的吸附/解吸及其影响因素已经进行了大量的研究并取得了许多重要的进展。土壤表面电化学性质制约着重金属离子在土壤胶体表面的扩散、吸附、解吸行为,是影响土壤吸附/解吸重金属最根本的因素之一。所有这些研究都存在一个主要问题:没有考虑土壤颗粒外电场对离子吸附/解吸的影响。然而,土壤又是一个巨大的外电场体系。因此,要准确描述离子在土壤中的扩散传输过程就必须考虑土壤中的强大外电场。外电场中离子扩散方程以及土壤表面电化学性质方法的建立为研究外电场中的离子扩散奠定了方法和理论基础。本文采用流恒法对黄壤和中性紫色土表面电荷总量、表面电位、表面电荷密度、表面电场强度以及比表面积进行了测定和计算,并进行比较分析;采用流恒法研究Zn2+在两种土壤中的吸附/解吸特征,分析吸附/解吸的动力学过程。研究结果表明:(1)采用平衡流动法测定2:1型和1:1型电解质体系中电荷性质参数。供试土样加入10%(质量百分数)蒙脱石的镁、锌饱和样的表面电位、表面电荷密度、表面电场强度均比没有加蒙脱石的土样高。在1:1型电解质体系中,供试土样的表面电位、表面电荷密度、表面电场强度均较2:1型电解质体系中高。(2)在不同支持电解质体系中,Zn2+的吸附量不同。对于同一类型的电解质体系,浓度高(0.1mol/L)时,表面电荷由支持电解质中的阳离子中和,且表面电位很低,土样表面锌离子的吸附量较低,这部分锌离子主要为专性吸附态。结果表明黄壤的专性吸附容量较紫色土大。相反,当支持电解质浓度低(10-4mol/L)时,支持电解质中的阳离子所平衡的表面负电荷只占很少的比例,此时表面电位高,实验结果由锌离子的静电吸附所支配。结果表明中性紫色土对锌离子的静电吸附容量比黄壤高。(3)Zn2+在两种土壤中的吸附/解吸动力学分析发现,在吸附过程中,Zn2+在黄壤中扩散初期(0~40min)存在负一级动力学过程,而后符合吸附一级动力学过程。而在中性紫色土中,吸附过程始终表现为一级动力学过程。因为相对于黄壤,中性紫色土的比表面积要大得多,而两者的液膜体积相差不大,所以离子在中性紫色土中扩散路径比较小,所以负一级动力学过程没有表现出来。在解吸过程中,进行了一级动力学处理,发现中性紫色土始终符合解吸一级动力学过程。(4)Zn2+在两种土壤中的吸附过程动力学分析发现,同一样品,在同一类型支持电解质条件下,支持电解质的浓度越低,由于此时表面电场强度大,Zn2+的吸附速率常数越大,吸附一级动力学处理图中直线的斜率越大。相应地,同一样品,同一浓度支持电解质条件下,由于二价离子体系的表面电场强度低,Zn2+吸附速率常数比一价支持电解质体系的吸附速率常数低。而且所有吸附一级动力学处理图形都表明,土样加入10%(质量百分数)蒙脱石后,由于表面电场强度增加,Zn2+吸附的速率加快,吸附速率常数变大。(5)Zn2+在土壤的解吸过程动力学分析发现,同一样品,在同一类型电解质条件下,电解质的浓度越高,由于此时表面电场强度低,Zn2+的解吸速率常数越大,解吸一级动力学处理图中直线的斜率越大。相应地,同一样品,同一浓度电解质条件下,由于二价离子体系的表面电场强度比一价离子体系低,Zn2+的解吸速率常数比一价电解质体系的解吸速率常数高。而且所有解吸一级动力学处理图中都表明,土样加入10%(质量百分数)蒙脱石后,由于表面电场强度增加,阻止Zn2+解吸,所以Zn2+解吸的速率减小,解吸速率常数变小。验究结果表明,土壤表面电荷和表面电场强烈地影响离子的吸附/解吸行为,因此在研究金属离子在土壤中的吸附/解吸行为时,必须把表面电学性质作为重要的影响因素进行考虑。
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