东北草甸棕壤的界面电性质及对重金属铅的吸附/解吸行为研究

摘要

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。但是近年来，东北地区土壤重金属污染日益严重，对生态环境安全和人类健康造成潜在威胁。科学认识东北地区土壤污染形成机制，探索有效的修复途径具有重要意义。 黏土-水界面的电化学性能、污染物在黏土-水界面上的吸附-脱附行为是土壤污染物的形态分布、迁移转化及归宿等环境行为的重要影响因素，因此一直是人们研究的重要内容。本文以东北草甸棕壤为模型，研究了界面电化学性能、重金属铅的吸附．解吸行为和形态分布，考察了一些环境因素特别是低温(冷冻)的影响，以期为科学认识东北地区土壤污染形成机制，探索有效的修复途径提供基础依据。本文的主要研究内容和结论如下： (1)分别采用电势滴定法(Potentiometric titration)，质量滴定法(Masstitration)和惰性电解质滴定法(Inert electrolyte titration)测定了荷结构负电荷的东北草甸棕壤样品的零净电荷点(pH<,PZNC>)，研究表明荷结构负电荷的土壤依然存在与电解质浓度无关的零净电荷点，三种方法的测定结果分别为2.9，5.0和3.3。相比较而言，电势滴定法和惰性电解质滴定法的结果相近，而质量滴定法的结果偏高。 (2)对文献中推算表面质子活性位密度(N<,s>)的方法进行了改进，得到东北草甸棕壤样品的N<,s>为2.5 mmol·g<'-1>。根据实验测定的pH，N<,s>和结构电荷密度(σ<,st>)值直接计算出东北草甸棕壤样品的界面反应特征平衡常数，即1-pK模型中的pK、2-pK模型中pK<'int><,al>和pK<'int>，分别为3.37，2.42和4.32，与文献报道的沉积物和蒙脱土的值相近。 (3)研究了重金属铅(Pb<'2+>)在东北草甸棕壤上的吸附行为，探讨了吸附机理。结果表明，其吸附动力学符合准二级吸附速率方程，吸附等温线为 Langmuir型；随pH增大，吸附量在pH=2～4范围内急剧增大，而在pH=4～6范围内基本不变：惰性电解质(NaNO<,3>)的存在可明显抑制Pb<'2+>的吸附，随NaNO<,3>浓度的增大，吸附量先急剧下降，后趋于平缓。pb<'2+>在草甸棕壤颗粒上的吸附机理包括离子交换吸附和表面功能基团键合作用吸附，其中表面功能基团键合作用吸附又可分为化学键合吸附和静电键合吸附，前者形成内络合层，后者形成外络合层。 (4)研究了重金属铅(Pb<'2+>)在东北草甸棕壤上的解吸行为，结果表明，pb<'2+>从土壤颗粒表面的解吸动力学是一个二阶段过程，即初始的快速阶段之后伴随着一个缓慢阶段；pH在2～5范围内解吸量随pH增大急剧下降，pH在5～10范围内解吸量基本不再变化；解吸量随NaNO<,3>浓度增大先急剧上升，后趋于平缓；解吸和吸附过程不是完全可逆的。-70℃冷冻可使Pb<'2+>解吸量略有降低。 (5)采用Tessier顺序提取法研究了东北草甸棕壤吸附重金属铅的化学形态及分布特征。结果表明，其形态分布规律为：可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>有机结合态>残渣态。在所研究的条件下，-70℃冷冻对草甸棕壤吸附铅的形态分布基本无影响。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1土壤重金属污染现状

1.1.1土壤重金属来源

1.1.2土壤重金属的化学形态

1.2土壤胶体界面电化学性能

1.2.1界面电荷的来源

1.2.2界面电荷的分类

1.2.3零电荷点及其测定方法

1.2.4双电层模型

1.3土壤中重金属离子固-液界面反应机制

1.3.1离子交换吸附机理

1.3.2络合作用机理

1.3.3共沉淀机理

1.4研究背景、内容和意义

第二章实验材料、仪器和方法

2.1材料和仪器

2.1.1样品采集和处理

2.1.2测试仪器

2.2研究方法

2.2.1 pH值测定

2.2.2土壤矿物组成测定

2.2.3有机质及有机碳的测定

2.2.4重金属总量测定

2.2.5阳离子交换容量(CEC)的测定

2.2.6零电荷点测定

2.2.7土壤吸附实验

2.2.8 Pb(Ⅱ)吸附土壤样品的制备及吸附总量的测定

2.2.9 Pb(Ⅱ)吸附土壤样品的解吸实验

2.2.10土壤饱和吸附Pb(Ⅱ)的形态分布测定

第三章东北草甸棕壤的界面电化学性能研究

3.1土壤的基本理化性质

3.2土壤的零净电荷点研究

3.2.1理论分析

3.2.2零净电荷点

3.3界面酸-碱反应特征平衡常数

3.3.1理论分析

3.3.2表面质子活性位密度的估算

3.3.3界面酸-碱反应特征平衡常数

本章小结

第四章东北草甸棕壤对重金属铅的吸附行为研究

4.1吸附动力学

4.2吸附等温线

4.3 pH对Pb2+吸附量的影响

4.4离子强度对Pb2+吸附量的影响

4.5吸附机制探讨

本章小结

第五章重金属铅在东北草甸棕壤上的解吸行为研究

5.1重金属铅的解吸动力学

5.2 pH对Pb2+解吸量的影响

5.3离子强度对Pb2+解吸量的影响

5.4吸附—解吸滞后性分析

本章小结

第六章东北草甸棕壤吸附重金属铅的化学形态分布

6.1土壤吸附的重金属铅的化学形态分布

6.2冷冻对土壤吸附铅化学形态分布的影响

本章小结

第七章结论及创新点

参考文献

致谢

硕士期间发表论文