三种铁氧化物对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附研究

采用批量吸附试验,研究实验室制备的水铁矿、磁铁矿和纤铁矿对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附性能。结果表明,在p H中性条件下,结晶差的水铁矿吸附砷的能力明显优于结晶较好的磁铁矿和纤铁矿,准二级动力学方程拟合效果较好,说明存在多种吸附过程,并可能涉及专性吸附作用;在酸性条件下,三种铁氧化物对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附能力大小顺序均为水铁矿磁铁矿纤铁矿,铁氧化物吸附As(Ⅴ)的能力优于As(Ⅲ),Langmiur方程和Freundlich方程拟合效果均较好,说明铁氧化物对砷的吸附为均匀介质表面的单层吸附或非均匀介质表面的多层吸附;在弱酸至弱碱范围内,三种铁氧化物对As(Ⅲ)的吸附效果均较好且吸附量变化不大,强酸和强碱条件都会引起铁氧化物吸附As(Ⅲ)量的降低,三种铁氧化物对As(Ⅴ)的吸附均随着p H升高而逐渐减少;由于竞争吸附作用,磷酸盐浓度的增加使三种铁氧化物对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附显著减少;随着腐殖酸浓度的增加,三种铁氧化物对As(Ⅲ)的吸附能力逐渐减小,低浓度的腐殖酸微弱地促进铁氧化物对As(Ⅴ)的吸附,高浓度的腐殖酸抑制As(Ⅴ)的吸附。     

As(Ⅲ)在可变电荷土壤中的吸附与氧化的初步研究

用一次平衡法研究了两种可变电荷土壤与As(Ⅲ)之间的吸附和氧化还原反应。结果表明,当As(Ⅲ)溶液平衡浓度由0·25上升到1·0mmolL-1,砖红壤对砷的吸附量由15·0增加至25·9mmolkg-1,红壤由7·6增至13·0mmolkg-1,砖红壤对砷的吸附量约为红壤的2倍,这是因为前者铁、铝氧化物的含量高于后者。在pH3~7范围内,土壤对As(Ⅲ)的吸附量随pH的增加而增加。砖红壤中的氧化锰能将As(Ⅲ)氧化为As(V),砷的氧化量在pH3~7范围内随体系pH的增加而减小。砷在红壤中的氧化反应不显著。用1·0molL-1的KNO3对吸附性砷进行解吸的结果表明,砷的解吸率在35%以下,说明大部分砷通过形成内圈型表面络合物为土壤所吸附。在pH2~7范围内,砷的解吸率随吸附体系pH的升高而增加,说明较高pH下外圈型表面络合物的比例增加。     

外源As（Ⅲ）、As（Ⅴ）在石灰性土壤中的转化及其对有机碳降解酶活性的影响

砷在土壤中的转化积累特性与其生物有效性密切相关。然而,外源As(Ⅲ)、As(Ⅴ)添加对石灰性土壤中砷的动态转化及其生态毒理的影响仍不清楚。通过设置不同剂量(0、20、50、100、180、280、450和800 mg kg-1)砷的土壤培养试验,采用连续浸提方法、物料袋方法研究了As(Ⅲ)、As(Ⅴ)在石灰性土壤中的动态转化特征及土壤生物学性状对As(Ⅲ)、As(Ⅴ)响应的剂量效应。结果表明:(1)土壤交换态砷(AE-As)浓度随培养时间延长而下降,而铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)、钙型砷(Ca-As)浓度则明显升高,说明水溶性砷逐渐转化为难溶性砷,且以Ca-As为主,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理间差异不显著。(2)过氧化氢酶活性随外源As(Ⅲ)和As(Ⅴ)剂量增加而呈下降趋势(30 d和100 d),蔗糖酶活性随As(Ⅲ)和As(Ⅴ)添加剂量而明显上升(30 d),说明As(Ⅲ)和As(Ⅴ)对过氧化氢酶有抑制作用,对蔗糖酶有刺激作用;As(Ⅲ)和As(Ⅴ)添加对多酚氧化酶活性影响不明显;As(Ⅴ)处理的过氧化氢酶、多酚氧化酶及蔗糖酶平均活性分别比As(Ⅲ)处理高13.7%、1.9%、1.2%,说明As(Ⅲ)生态毒性大于As(Ⅴ)。此外,通过对土壤各形态砷含量与酶活性进行相关分析可知,蔗糖酶对土壤砷的响应较过氧化氢酶和多酚氧化酶更敏感,可作为石灰性土壤砷污染的指示酶。(3)添加于土壤中的大豆秸秆的降解率随外源砷剂量增加而下降,但As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理间差异不显著。综上可以得出如下结论:不同形态的砷在石灰性土壤中转化、转化为以Ca-As为主,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理间差异不显著;外源As(Ⅲ)和As(Ⅴ)对土壤有机碳降解均有明显抑制作用,且As(Ⅲ)对碳转化相关酶的生态毒性大于As(Ⅴ)。     

应用Multi-Langmuir模型评价土壤的表面电荷特性

用返滴定技术测定土壤的可变电荷量(Qv),应用Muti-Langmuir模型评价土壤的表面电荷特性。结果表明,黄壤和黄棕壤可变电荷量的变化范围在0～45cmolkg-1,红壤为0～21cmolkg-1,砖红壤和赤红壤为0～14cmolkg-1。可变电荷量(Qv)依赖土壤悬液的pH,3点位模型能很好地描述6种土壤的可变电荷量随pH的变化关系;黄壤、黄棕壤、湖南红壤、江西红壤、赤红壤和砖红壤的pK1分别为4.45、4.46、4.76、4.62、4.66和4.74,可变电荷量Qv1分别为11.7、9.64、9.31、7.14、4.86和5.95cmolkg-1。黄壤和黄棕壤pK1较红壤、砖红壤和赤红壤约低0.3。pK1与ZPC呈现极显著的线性关系,可变电荷量(Qv(i))与有机质含量呈极显著的正相关。     

邻苯二甲酸和水杨酸在可变电荷土壤中的吸附行为

研究了2种低分子量有机酸邻苯二甲酸和水杨酸在2种代表性可变电荷土壤红壤和砖红壤中的吸附行为。结果表明,可变电荷土壤对有机酸的吸附容量较大,对邻苯二甲酸的吸附亲和力大于对水杨酸的亲和力,在砖红壤中2种有机酸的吸附量大于在红壤中的,这与土壤的游离铁、铝氧化物的含量一致。土壤氧化铁在有机酸吸附中起着重要作用,粘土矿物如高岭石对有机酸的吸附量很小。有机酸的吸附涉及专性吸附和静电吸附2种机制,并以前者为主。当pH小于4.5时,pH的改变对有机酸的吸附影响不大;当pH大于4.5时,有机酸的吸附量随pH的增加而减小。     

不同pH下两种可变电荷土壤中Cu(II)、Pb(II)和Cd(II)吸附与解吸的比较研究

对两种可变电荷土壤的研宄表明,土壤对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附量均随pH的增加而增加,但Cu(Ⅱ)与Pb(Ⅱ)吸附量之间的差值随pH增加而减小,Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)与Cd(Ⅱ)吸附量之间的差值随pH增大呈增大趋势.土壤吸附的Cd(Ⅱ)的解吸量随吸附平衡液pH的增加而增加;但Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的解吸量先随pH增加而增加,在某一pH时达最大,随后再逐渐减小.3种重金属离子在可变电荷土壤中吸附和解吸行为的不同特征是pH导致的土壤表面电荷的变化和离子水解程度的变化共同作用的结果.本文的研究结果对可变电荷土壤中重金属的控制和污染土壤的修复具有一定的指导意义.     

应用XAFS研究草酸根和胡敏酸对As(V)在红壤中吸附的影响

结合吸附实验和X光吸收精细结构光谱(XAFS)分析,研究了草酸根和胡敏酸对As(V)在红壤中吸附的影响,分析了As(V)在红壤中的化学形态和微观结构以及草酸根、胡敏酸的影响特征。结果表明,当pH6.0时,红壤主要是通过基团交换反应吸附As(V),草酸根和胡敏酸可以通过竞争吸附位点抑制红壤中As(V)的吸附,其抑制作用随浓度增大而增强。XAFS光谱学数据表明,红壤中吸附的砷以+5价态存在,主要与铁铝矿物形成以约0.317 nm As-Al和0.328 nm As-Fe原子间距为特征的双齿双核结构的内层复合物,复合物结构类型不受砷浓度和草酸根、胡敏酸的影响。     

老冲积黄壤微团聚体对As(Ⅴ)与P竞争吸附—解吸特性

土壤微团聚体是土壤的最基本结构单元,不同粒径微团聚体的理化性质的差异不同使得重金属离子在各粒径微团聚体中的吸附—解吸能力大小不同。以名山河流域老冲积黄壤为研究对象,将其划分为4个粒径(2~0.25mm,0.25~0.053mm,0.053~0.002mm,0.002mm)。采用批培养法研究原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)与P的竞争吸附—解吸特性。结果表明:原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)、P的吸附—解吸特性相似,等温吸附均符合Langmuir和Freundlich方程,但Langmuir方程拟合效果最佳;动力学吸附均符合伪一级方程和伪二级方程,但伪二级方程拟合效果更好。原土及各粒径微团聚体对As(Ⅴ)、P的吸附均以专性吸附为主,非专性吸附为辅。原土及不同粒径微团聚体对As(Ⅴ)、P的最大吸附量不仅与粒径大小有关,与土壤有机质、CEC、游离氧化铁含量呈正相关。由于0.002mm粒径的土壤比表面积大,有机质、CEC、游离氧化铁含量高,故其对As(Ⅴ)、P有最大吸附能力和最高初始吸附速率。As(Ⅴ)、P在各粒径微团聚体上解吸量与其吸附量呈指数关系。当As(Ⅴ)与P共存时,明显互相抑制对方的吸附,促进对方的解吸。As(Ⅴ)与P在0.002mm粒径土壤中存在的竞争吸附—解吸能力最小。     

中南地区几种土壤的表面电荷特性Ⅲ.土壤的电荷量,电荷零点(PZC)和净电荷零点(PZNC)

研究了中南地区3种土壤的电荷量、电荷零点(PZC)和净电荷零点(PZNC)等表面电荷性质及其与土壤矿质组成的关系.结果表明:(1)从赤红壤、红壤到黄棕壤,永久负电荷量(CECp)趋于增大,主要与土壤的粘土矿物组成和粘粒含量有关;可变负电荷量(CECv)变异趋势不明显,主要与土壤氧化铁铝的组成及含量有关;可变负电荷量占负电荷总量的比例趋于降低;正电荷量趋于减小.(2)供试赤红壤、红壤和黄棕壤的PZC分别为3.90、3.35～3.50和2.96～3.12;赤红壤和红壤的PZNC分别为3.85和2.15～2.84,黄棕壤不存在PZNC.(3)初步提出可变电荷土壤表面电荷性质的指标为:PZC>3.0、PZNC>2.0、PZC朠ZNC<1.0和CECv/CEC8.2>0.4.     

可变电荷土壤中铜离子的解吸

研究了我国四种可变电荷土壤红壤、赤红壤、砖红壤和铁质砖红壤以及二种恒电荷土壤黄棕壤和黑土中吸附性铜离子的解吸特征。研究结果表明 ,可变电荷土壤吸附的一部分铜离子可以被去离子水解吸 ,而且在pH～解吸率曲线上在一定pH值时出现解吸率最大值。在最大值时不同土壤中铜离子解吸率的大小与土壤中氧化铁的含量有关。氧化铁的含量越高 ,在最大值时铜离子的解吸率越大。当用中性电解质解吸可变电荷土壤吸附的铜离子时 ,电解质的浓度越大 ,解吸率越低。与此相反 ,恒电荷土壤吸附的铜离子不能被去离子水解吸 ,只能被中性电解质解吸 ,且电解质的浓度越高 ,解吸率越大。这表明 ,可变电荷土壤中吸附性铜离子的解吸规律 ,完全不同于恒电荷土壤中者。本文初步讨论了其原因     

离子强度和pH对可变电荷土壤与铜离子相互作用的影响

研究了离子强度和pH对可变电荷土壤表面电荷与铜离子吸附的影响。作为对照 ,也研究了它们对恒电荷土壤黄棕壤的有关性质的影响。结果表明 ,随pH升高 ,土壤的表面负电荷增加 ,正电荷减少。对于可变电荷土壤 ,可出现电荷零点 (pH0 )。随pH升高 ,土壤对Cu2 的吸附量增大。随着离子强度增大 ,恒电荷土壤对Cu2 的吸附百分率明显降低 ,可变电荷土壤对Cu2 离子的吸附百分率也降低 ,但降低的幅度比恒电荷土壤者小得多。土壤中氧化铁的含量越高 ,降低的幅度越小。对于含 2 1 %左右游离氧化铁的铁质砖红壤 ,即使支持电解质NaNO3的浓度高达 1molL- 1,对Cu2 的吸附仍然几乎没有影响。从离子强度和pH与土壤表面电荷和铜离子吸附的关系 ,可以推测在土壤对铜离子的吸附中 ,既存在电性吸附 ,又存在专性吸附。在可变电荷土壤对铜离子的吸附中 ,专性吸附较为重要     

几种有机酸对恒电荷和可变电荷土壤吸附Cu2+的影响

以恒电荷土壤(黄褐土和黄棕壤)和可变电荷土壤(红壤和砖红壤)为供试材料,研究了乙酸、草酸、酒石酸和柠檬酸对土壤吸附重金属铜离子(Cu2 )的影响。结果表明,在相同酒石酸浓度下,土壤对酒石酸的吸附量依次为黄棕壤(2 1 8mmolkg-1) >红壤(15 4mmolkg-1) >砖红壤(9 5mmolkg-1) ,土壤吸附有机酸后负电荷量增加,相同条件下增幅为砖红壤>红壤>黄棕壤;无有机酸配体时,供试土壤对Cu2 的吸附量为黄褐土>黄棕壤>砖红壤>红壤;加入有机酸时,随有机酸浓度增高,土壤对Cu2 的吸附一般表现为“峰”形曲线,峰所对应的有机酸浓度因有机酸类型而异,且随土壤可变电荷性质增强而增高;土壤吸附有机酸后对Cu2 的次级吸附不同于有机酸与铜共存时的竞争吸附,且因土壤性质表现迥异。这些结果意味着在存在有机酸配体的根际环境中,恒电荷土壤与可变电荷土壤对Cu2 的吸附明显不同,并将影响重金属离子在根际的转化与有效性     

可变电荷土壤和恒电荷土壤CI^—吸附特性的研究

对不同浓度KCI和不同pH下，3种可变电荷土壤和4种恒电荷土壤CI^-吸附量进行了测定。结果表明，土壤CI^-吸附量随平衡CI^-浓度C（e）增加而增大，恒电荷土壤呈线性，可变电荷土壤在添加CI^-0.5-5.0mmol/L下，符合Langmuir吸附等温式。同一浓度下的CI^-吸附量及其随浓度增加的速率均为砖红壤＞红壤＞赤红壤＞黄棕壤＞棕壤、暗棕壤和黑土，与这些土壤所带正电荷量顺序相一致。Langmuir方程K值较小且几种土壤差异不大。恒电荷土壤对CI^-的吸附量很小，在浓度较低时常出现负吸附，其吸附机理可能更多的是与K^ 吸附时的同时吸附。7种土壤CI^-吸附量均随pH增加而降低，但降低强度可变电荷土壤远大于恒电荷土壤。     

硫酸根离子添加顺序对可变电荷土壤吸附铜离子的影响

研究了SO2-4添加顺序对三种可变电荷土壤(昆明铁质砖红壤、徐闻砖红壤和江西红壤)吸附Cu2+的影响,作为对照,也研究了其对恒电荷土壤(黄棕壤、棕壤)以及两种不同矿物(高岭石与针铁矿)吸附铜离子的影响。实验结果表明,在同等条件下,SO2-4添加顺序对两类表面性质不同的土壤吸附Cu2+有着不同的影响。对于恒电荷土壤,SO2-4添加顺序对土壤吸附Cu2+几乎没有影响。同等pH条件下,对可变电荷表面而言,加入CuSO4者具有最高的Cu2+吸附率;对昆明砖红壤、徐闻砖红壤以及针铁矿和高岭石而言,先加入Cu2+者相对先加入SO2-4者Cu2+吸附率更高;对江西红壤而言,上述这个次序则刚好相反。SO2-4浓度和有机质去除对同等pH条件下铜离子吸附率高低的排序并无实质性影响。     

离子强度和磷酸盐对铁铝矿物及土壤吸附As（V）的影响

选用针铁矿、赤铁矿、水铁矿、水铝矿4种铁铝矿物以及性质差异较大的黑土、紫色土和红壤3种土壤,研究离子强度和磷酸盐对其吸附As（V）的影响。结果表明,在0．01、0．1、1mol·L^-13种离子强度下,矿物和土壤对As（V）的吸附量无明显差异或随离子强度增大而增大,其对砷的吸附以专性吸附为主。磷酸盐对矿物和土壤吸附砷的影响与其添加顺序及摩尔浓度比有关。水铝矿和水铁矿在这3种添加顺序下的砷吸附量无明显差异,仅在P／As摩尔比较大时表现出下降趋势;而在针铁矿和赤铁矿两种矿物上,先添加砷时的砷吸附量高于先添加磷时或两者同时添加时,且砷吸附量随WAs摩尔比的增加而逐渐下降。在黑土、紫色土和红壤上,先添加砷比先添加磷或两者同时添加时的砷吸附量均要高,尤其是在紫色土上。随P／As摩尔比升高,土壤对砷的吸附量表现出下降趋势。     

不同类型土壤对汞和砷的吸附解吸特征研究

为了探明不同类型土壤对重金属汞和砷吸附、解吸的影响,以性质差异显著的红壤、黑土和潮土为供试土壤,采用批量平衡法,研究了Hg(Ⅱ)和As(Ⅴ)在不同土壤中的吸附-解吸行为。结果表明:(1)Freundlich方程和Langmuir方程均能较好地拟合这3种土壤对Hg(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附,其中Hg(Ⅱ)的最大吸附量分别为451.33、1699.46和1635.21mg/kg,大小顺序为黑土>潮土>红壤,相关系数(R2)在0.8533～0.9911之间;As(Ⅴ)的最大吸附量分别为818.44、561.87和112.77mg/kg,大小顺序为:红壤>黑土>潮土,相关系数(R2)在0.9223～0.9949之间;而线性方程则不能较好地拟合这3种土壤对Hg(Ⅱ)和As(Ⅴ)的等温吸附。(2)Hg(Ⅱ)和As(Ⅴ)的解吸量随Hg(Ⅱ)和As(Ⅴ)吸附量的增加而增加,两者之间呈显著或极显著的线性正相关,Hg(Ⅱ)的相关系数(R2)分别为0.8668**、0.8971**、0.9969**,As(Ⅴ)的相关系数(R2)分别为0.9987**、0.9964**、0.9858**。研究结果对于探明土壤中汞和砷的环境行为具有重要意义。     

支持电解质浓度对磷酸根在可变电荷土壤表面吸附和解吸的影响

研究了离子强度对2种可变电荷土壤中磷酸根吸附和解吸的影响。结果表明,当pH分别大于3.7和4.0时,红壤和砖红壤对磷酸根的吸附量随离子强度的增加而增加;当pH分别小于3.7和4.0时,红壤和砖红壤对磷酸根的吸附量随离子强度呈相反的变化趋势。电解质主要通过改变离子专性吸附面上的电位来影响磷酸根的吸附。Zeta电位的测定结果表明,当pH大于土壤胶体的等电点(IEP)时,吸附面上电位为负值,且随离子强度增加数值减小,对磷酸根的排斥力减小,土壤表面对磷酸根的吸附量增加;当pH小于IEP时,吸附面上的电位为正值,它随离子强度增加而减小,不利于磷酸根的吸附。解吸实验的结果表明,吸附于可变电荷土壤表面的磷酸根在去离子水中的解吸量高于0.1 mol L-1NaNO3体系中的解吸量。这同样由于电解质浓度对土壤表面吸附面上的电位的影响所致。     

离子强度对可变电荷表面吸附性铜离子解吸的影响:可变电荷土壤

为进一步了解离子强度对可变电荷表面吸附性铜离子连续性解吸的影响,研究两种可变电荷土壤在去离子水和0.1 mol·L~(-1)NaNO_3溶液中吸附铜离子后,依次在去离子水和浓度由低到高的NaNO_3溶液中连续解吸时,离子强度变化对不同pH段铜离子解吸的影响。结果表明,解吸过程中离子强度变化方向对解吸分值随pH升高的变化趋势的影响完全不同,当离子强度由大变小时,解吸分值曲线的总体趋势是随着pH的升高而降低,反之,曲线呈现为钟形,且当去离子水第一次解吸在0.1mol·L~(-1)NaNO_3溶液中吸附的铜离子时,两种可变电荷土壤的第一次去离子水解吸均可出现重吸附现象,但铁质砖红壤解吸分值绝对值要小于红壤。整个解吸过程中,两种可变电荷土壤的铜离子吸附性铜离子的解吸特征与高岭石基本相似,但可变电荷土壤与高岭石以及两种可变电荷土壤之间,解吸分值的变化规律均存在一定的差异性,可变电荷土壤中的氧化铁含量多少被认为是导致这些差异的主要原因。     

土壤和粘粒矿物对亚硒酸盐的吸附和解吸

本文研究了三种土壤(砖红壤、红壤和黄棕壤)、高岭土和两种合成氧化铁(无定形氧化铁和针铁矿)对亚硒酸盐的吸附和解吸,讨论了亚硒酸盐的吸附特征,以及土壤中氧化铁对亚硒酸盐吸附和解吸的影响。     

铁铝氧化物–层状硅酸盐矿物互作对Cr (Ⅵ)和As (Ⅴ)吸附的影响

以高岭石、蒙脱土、针铁矿和三水铝石四种单一典型土壤矿物以及针铁矿-蒙脱石和三水铝石-蒙脱石（质量比为1:1）两种代表性土壤矿物复合体为吸附材料，采用吸附平衡实验、能谱分析（(EDS）、红外光谱、扫描电镜、酸碱滴定和zeta电位测定等方法，研究了铁铝氧化物与层状硅酸盐矿物之间的相互作用对Cr(Ⅵ)和As(Ⅴ)吸附的影响及其机制。吸附平衡实验和EDS实验结果表明，两种复合体对Cr(Ⅵ)和As(Ⅴ)的吸附容量均小于其两种组成矿物单一体系吸附量的平均值，即铁铝氧化物与蒙脱石的互作降低了这些氧化物对Cr(Ⅵ)和As(Ⅴ)的吸附能力。表面性质表征结果表明，与蒙脱石复合后，针铁矿与三水铝石表面的正电荷均被完全中和，电荷符号发生反转。与理论值相比，三水铝石-蒙脱石复合体的表面位点总浓度无明显变化，比表面积减小。针铁矿-蒙脱石复合体的比表面积与理论值无明显差异，但矿物表面位点浓度减小，表面羟基红外吸收峰强度减弱。氧化物与层状硅酸盐矿物互作改变了矿物表面性质，这可能是导致氧化物对Cr(Ⅵ)和As(Ⅴ)的吸附能力降低的主要原因。当评估污染元素在土壤中有效性时应当考虑土壤固相组分间的互作对离子吸附的影响。