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腐殖酸是广泛存在于天然水体等自然界中的天然高分子聚合物,重金属是重要的水环境污染物质之一,且我国水体重金属污染问题十分突出。而腐殖酸对重金属元素在环境中的迁移、转化、毒性和生态效应起着十分重要的调控作用。本论文运用先进的分析仪器和分析方法,以商品腐殖酸和从护城河提取的天然腐殖酸作为典型的腐殖酸代表,以Cu2+和Cd2+作为典型的重金属代表,研究腐殖酸及其与重金属作用的荷电特性和聚集特性,分析腐殖酸及其与重金属结合的三维荧光特性和结构特征,较系统地探讨各因素对腐殖酸与重金属结合的影响规律和机理,并对腐殖酸与重金属结合的热力学进行分析,以加深腐殖酸对环境作用的认识,为水环境中腐殖酸及其与重金属作用的分析与评价提供理论支撑。 通过腐殖酸的荷电特性和聚集特性研究,发现腐殖酸具有自我凝聚的特性。在pH值较低和溶液离子强度较高时,腐殖酸胶粒的Zeta电位绝对值减小而聚合度增大,从而使腐殖酸胶粒聚集而凝聚。随腐殖酸浓度增大,腐殖酸胶粒的Zeta电位绝对值增大,腐殖酸胶粒的缩聚程度降低而使粒径减小。商品腐殖酸和天然腐殖酸分别在pH值为10.0和9.0时,荧光峰的荧光强度最强。在中性和碱性条件下,腐殖酸胶粒的Zeta电位绝对值较大,使腐殖酸分子由于排斥作用而被拉伸,使更多的发射荧光的基团被裸露到溶液中,导致荧光强度增强。pH值较低时,随pH值降低,由于腐殖酸胶粒聚集和凝聚而将荧光基团包裹在内,或是腐殖酸胶粒聚集时的碰撞而导致荧光淬灭,所以荧光强度降低。当pH值在8.0～11.0时,随pH值增大,商品腐殖酸的荧光峰C的位置发生红移。随溶液离子强度增大,腐殖酸分子逐渐卷曲聚集,将荧光基团包裹在内,使腐殖酸荧光峰的荧光强度降低,商品腐殖酸的荧光峰发生蓝移。随pH值增大,腐殖酸胶粒的聚合作用减弱,分子体系的共轭程度降低,导致腐殖酸的紫外光谱吸收带主要发生蓝移。随离子强度增大,由于腐殖酸胶粒聚集程度加强而导致其紫外吸收带发生红移、吸收强度增大。两种腐殖酸的荧光峰比r值较显著地依赖于溶液离子强度,E3/E4值与离子强度具有显著的正相关性。 通过腐殖酸与重金属作用的荷电特性和聚集特性研究,发现腐殖酸与重金属Cu2+和Cd2+结合后,其Zeta电位绝对值降低而聚合度增强,生成以Cu2+或Cd2+为中心的结合物,将腐殖酸分子和胶粒桥连在一起而使粒径增大,从而将荧光基团包裹在内而使荧光强度降低。随投加Cu2+或Cd2+总浓度增加,商品腐殖酸荧光峰B的位置发生蓝移,商品腐殖酸荧光峰A和天然腐殖酸荧光峰1的发射波长发生蓝移,并使腐殖酸生色基团苯环间距缩小而导致腐殖酸紫外吸收带位移。利用修正型Stern-Volmer方程计算了重金属离子与两种腐殖酸荧光峰的配位作用参数,表征腐殖酸不同发射荧光基团与重金属离子的结合能力,得知两种腐殖酸荧光峰与Cu2+配位的荧光官能团比例比其与Cd2+配位的荧光官能团比例高,两种腐殖酸荧光峰所代表的有机物官能团与Cu2+结合能力比其与Cd2+的强。 通过腐殖酸与重金属结合的影响因素研究,发现pH值在4.0～6.0之间,随pH值升高,腐殖酸能发生结合配位的点位增加,腐殖酸胶粒Zeta电位绝对值增大而聚集性降低,位阻效应小,导致腐殖酸与Cu2+和Cd2+的结合率、结合的条件稳定常数和表观结合容量基本逐渐增大。由于溶液离子强度增大,腐殖酸胶粒逐渐聚集,位阻效应大,导致腐殖酸与Cu2+和Cd2+结合的结合率、结合的条件稳定常数和表观结合容量基本减小。投加Cu2+和Cd2+总浓度增大时,腐殖酸胶粒Zeta电位绝对值减小而聚集性增加,其粒径增大,其裸露于溶液中的结合点位减少,从而腐殖酸与Cu2+和Cd2+的结合率降低。随腐殖酸浓度增大,结合点位总量增加,同时腐殖酸胶粒聚合度降低而导致其裸露于溶液中的结合点位增多,导致 Cu2+和Cd2+与腐殖酸结合率增大。通过腐殖酸与重金属结合的热力学研究表明,腐殖酸与Cu2+和Cd2+结合反应过程是自发的放热反应。随反应温度升高,腐殖酸与Cu2+或Cd2+的结合率和结合的表观结合容量增大,而条件稳定常数基本是逐渐减小的。通过以上研究,得到了水环境中腐殖酸与重金属作用的共性特征。