二氧化硅胶体作用下磺胺嘧啶在土壤中的吸附迁移特征及数值模拟

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抗生素的使用量巨大且逐年增加,然而,由于抗生素利用率低导致巨量抗生素进入环境中。目前,我国的抗生素污染分布与人类活动密切相关,人口密集地区的抗生素不仅种类繁多而且污染程度高,抗生素污染问题亟待解决,进入环境中抗生素能够随水体迁移扩大污染范围,因此,关于抗生素的污染途径及进入环境中迁移过程的研究尤为重要。土壤系统是抗生素转趋的重要环节,土壤胶体对抗生素迁移有很大的影响作用。相比于其他的磺胺类抗生素,磺胺嘧啶降解速率低、结构简单、应用普遍,并且,目前国内对胶体作用下抗生素在土壤中吸附迁移特征方面的研究很少。为此,本文以中性硅溶胶为供试外源胶体,以磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)为目标污染物,采用静态批平衡吸附实验、土柱迁移实验,旨在探讨胶体对SDZ在土壤中吸附迁移行为的影响,进而为磺胺类抗生素的风险评估及防治提供参考。本研究从两个方面展开:一是不同离子强度下加/不加胶体、不同胶体浓度和不同质地土壤加/不加胶体三种情况下,SDZ在土壤中的静态批平衡吸附实验,并选取两种等温吸附模型对静态吸附特征进行拟合;二是探讨了不同离子强度下加/不加胶体、不同胶体浓度及层状土壤中加/不加胶体对SDZ在土柱中迁移过程的影响,并用Hydrus-1D软件模拟了不同离子度下、层状土壤中SDZ的迁移过程以及胶体在层状土壤中的迁移过程。得出以下结论:(1)在批平衡吸附实验中,离子强度为0.001、0.003 mol/L CaCl2时胶体的加入能够抑制SDZ的吸附,而0.005、0.01 mol/L Ca Cl2时胶体的加入对SDZ吸附的影响与SDZ初始浓度有关。离子强度为0.01 mol/L CaCl2时,胶体的加入均促进了SDZ在高有机质壤土(R1)中的吸附。Ca2+可以通过压缩胶体双电层促进胶体絮凝增加吸附点位以及与SDZ竞争吸附点位两种作用影响SDZ的吸附能力。不同质地土壤对SDZ吸附的差异很大,粉砂壤土(编号为F)吸附能力最强,其次是高有机质壤土(编号为R1),最低的是低有机质壤土(编号为R2),这主要是土壤理化性质的影响,胶体对SDZ在土壤上吸附能力的影响受土壤有机质、阳离子交换量以及粘粒含量的影响。(2)根据实验数据,利用Freundlich模型和线性(Linear)模型对不同条件下SDZ吸附状况进行拟合。不同离子强度下SDZ在R1中的吸附情况符合Freundlich模型,R2在0.9580.997范围内。胶体浓度为0、58、290 mg/L三种情况下Freundlich模型R2在0.9760.997;胶体浓度为116、174、232 mg/L三种情况下符合Linear模型,R2在0.9640.989。这是由于SDZ在R1上的吸附能力弱。不同土壤质地实验中,R2不符合任何一种模型,加入胶体后更符合Freundlich模型,其他两种质地土壤在加/不加胶体时均符合Freundlich模型。(3)土柱迁移实验表明,低离子强度时,胶体的加入促进了SDZ的迁移、抑制SDZ的吸附,而高离子强度时相反。离子强度为0.01 mol/L时,胶体浓度在0290mg/L范围内,均使SDZ的出流量降低,并且随着胶体浓度的增加,对SDZ迁移的抑制能力下降。这是由于不加胶体时,Ca2+与SDZ竞争吸附点位的作用为主导,离子强度越高SDZ越易迁移,随胶体加入一定量的Ca2+参与胶体絮凝。随胶体量的增加消耗的Ca2+也增加,而对SDZ迁移的抑制作用降低。加入胶体后,高流速促进了SDZ的迁移,低流速抑制了SDZ的迁移。这是因为孔隙水流速的降低使胶体以及SDZ在出流时弥散作用增强。土体构型是影响SDZ迁移的重要因素,胶体加入与否,低有机质壤土-粉砂壤土(编号为R2-F)中SDZ出流量及出流峰值达到的时间均早于粉砂壤土-高有机质壤土(编号为F-R1)。离子强度增加会抑制胶体出流,同时土体构型也会影响胶体的出流情况。(4)利用单点模型(One-site Soption Model,OSM)、两点模型(Two-site Soprtion Model,TSM)对SDZ在不同离子强度、层状土壤中的迁移过程进行数值模拟,TSM(R2>0.959、RMSE<0.004)能够更好地描述SDZ在土壤中的迁移情况。两种模型拟合得到的Rd值均小于静态吸附实验所得Rd值,这是由于静态吸附实验时土壤与SDZ接触更充分的缘故。两个模型拟合的系数α均较小α<0.3,动力吸附作用较弱。利用耦合胶体沉淀-释放的对流-弥散方程,能较好的拟合F-R1中二氧化硅胶体的迁移过程,拟合得到的R2=0.996、RMSE=2.60E-6,F对胶体的释放能力强于吸附能力,而R1相反。
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