重金属离子在粘土矿物—胡敏酸复合体上的吸附研究

摘要

腐殖酸是土壤、沉积物和水体中广泛存在的一类天然有机质。按存在状态可将腐殖酸分为游离态和结合态两类。土壤中的游离态腐殖酸很少，绝大多数腐殖酸与土壤中的粘土矿物结合形成稳定的粘土矿物一腐殖酸复合体。结合在粘土矿物上的腐殖酸能够改变矿物的理化性质，使原本亲水的矿物表面具有不同程度的疏水性。腐殖酸还能络合重金属离子，从而改变粘土矿物与重金属离子的相互作用，促进或抑制矿物对环境中的重金属离子的吸附，调控重金属离子在环境中的迁移转化与归趋。 本文以胡敏酸(humic acid，HA)为腐殖酸的代表，以高岭石和蒙脱石分别作为1∶1和2∶1型粘土矿物的代表，通过化学平衡反应制备粘土矿物-胡敏酸复合体，然后研究复合体对重金属离子的吸附行为，以期揭示粘土矿物-胡敏酸复合体吸附重金属离子的机理，为解决环境中的重金属污染问题提供理论依据。 1) 胡敏酸在高岭石上的吸附曲线显示：在胡敏酸平衡浓度为9.536～251.4mg/L范围内，吸附曲线符合Freundlich吸附模式(R<'2>=0.960)。吸附行为主要表现为配位体交换，发生在高岭石端面荷正电性的>AlOH<,2><'+0.5>吸附位上。随着pH值的增大，胡敏酸在高岭石上的吸附率降低。pH值的变化一方面影响到胡敏酸的分子形态、亲水性，另一方面对高岭石表面的荷电性也有影响，从而改变了胡敏酸与高岭石的界面作用机理。 2) 将吸附了胡敏酸的高岭石漂洗6次得到稳定的高岭石-胡敏酸复合体。在pH5的酸性条件下，胡敏酸在高岭石上的吸附能够明显增强对Cu<'2+>的吸附。这是由于胡敏酸含有大量的羧基和酚羟基等活性基团，吸附在高岭石上的胡敏酸增加了其表面吸附位，在复合体表面形成了S-HA-Cu三元配合物，且Cu<'2+>的吸附量与复合体中胡敏酸的含量在一定范围内成正相关。高岭石一胡敏酸复合体对Cu<'2+>的吸附与水溶液pH值有关。在Cu<'2+>与Cd<'2+>共存时，复合体对Cu<'2+>比Cd<'2+>具有更强的选择性。 3) 胡敏酸在蒙脱石表面吸附能力不及高岭石，其层间域没有参与对胡敏酸分子的吸附，吸附行为主要受阳离子键桥、疏水性作用和氢键等弱作用力调控，配位作用有限。随着pH值的增大，吸附在蒙脱石表面的胡敏酸解吸到溶液中。 4) 胡敏酸在蒙脱石表面的吸附对蒙脱石吸附Cu<'2+>的增强作用很小，主要是由于蒙脱石本身对Cu<'2+>的吸附容量很大，从而掩盖了胡敏酸的作用。另外，胡敏酸在蒙脱石表面吸附量较小也是一个原因。蒙脱石-胡敏酸复合体对重金属离子的吸附以阳离子交换作用为主，胡敏酸可能以S-HA-Cu结构形式存在。在Cu<2+>与Cd<'2+>共存体系中，蒙脱石-胡敏酸复合体对两者的吸附能力都很强，Cd<'2+>存在对Cu<'2+>的吸附有一定的抑制作用，而Cu<'2+>对Cd<'2+>的吸附几乎没有影响。综上所述，不同结构的粘土矿物决定了它与胡敏酸的结合方式不同。吸附态的胡敏酸能够强化重金属离子在粘土矿物表面的吸附，强化程度与胡敏酸的单位吸附量成正相关，强化机制与胡敏酸和粘土矿物的结合方式有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1问题的提出

1.2研究目的和意义

1.3研究目标和创新之处

1.4主要研究内容及完成的工作量

1.5技术路线

1.6创新之处与不足之处

第2章粘土矿物-腐殖酸-重金属交互作用研究进展

2.1粘土矿物对重金属离子的吸附

2.1.1粘土矿物吸附重金属离子的机理

2.1.2粘土矿物吸附重金属离子的影响因素

2.2腐殖酸与重金属离子的络合作用

2.3粘土矿物对腐殖酸的吸附

2.4粘土矿物-腐殖酸复合体对重金属离子的吸附

2.4.1重金属与矿物种类对吸附的影响

2.4.2腐殖酸的类型与浓度的影响

2.4.3溶液化学条件的影响

2.4.4三元复合体系的结构模型

第3章实验材料与方法

3.1实验仪器

3.2粘土矿物

3.3胡敏酸的提取与测定

3.3.1提取与纯化

3.3.2测定方法

3.4铜和镉的测定方法

3.4.1铜的测定——二乙基二硫代氨基甲酸钠分光光度法

3.4.2铜和镉的测定——火焰原子吸收分光光度法

3.5矿物层间距的测定

第4章高岭石-胡敏酸-重金属的吸附行为研究

4.1胡敏酸在高岭石上的吸附行为

4.1.1吸附实验方法

4.1.2高岭石对胡敏酸的吸附等温线

4.1.3 pH值的影响

4.2高岭石-胡敏酸复合体的制备

4.3高岭石-胡敏酸复合体的吸附实验方法

4.3.1加入顺序

4.3.2复合体的吸附实验方法

4.4高岭石-胡敏酸复合体对重金属离子的吸附行为

4.4.1加入顺序对Cu2+吸附量的影响

4.4.2 Cu2+在高岭石和高岭石-胡敏酸复合体上的吸附

4.4.3 pH值变化对复合体吸附机制的影响

4.4.4高岭石-胡敏酸复合体对Cu2+和Cd2+的选择性吸附

4.4.5漂洗对高岭石-胡敏酸复合体吸附Cu2+的影响

4.5高岭石-胡敏酸复合体吸附Cu2+后层间距的变化

4.6小结

第5章蒙脱石-胡敏酸-重金属的吸附行为研究

5.1胡敏酸在蒙脱石上的吸附行为及其特征

5.1.1蒙脱石对胡敏酸的吸附曲线

5.1.2 pH值对蒙脱石吸附胡敏酸的影响

5.1.3蒙脱石与高岭石对胡敏酸吸附行为的比较

5.2蒙脱石-胡敏酸复合体制备及其稳定性

5.2.1蒙脱石-胡敏酸复合体的制备

5.2.2蒙脱石-胡敏酸复合体在不同pH值条件下的稳定性

5.3蒙脱石-胡敏酸复合体对重金属离子的吸附行为

5.3.1蒙脱石-胡敏酸复合体对Cu2+的吸附曲线

5.3.2离子强度对蒙脱石-胡敏酸复合体吸附Cu2+的影响

5.3.3蒙脱石-胡敏酸复合体对Cu2+和Cd2+的选择性吸附

5.3.4高岭石/蒙脱石-胡敏酸复合体对Cu2+吸附能力的比较

5.4小结

全文总结

参考文献

致谢