可变电荷土壤对重金属的吸附研究论文

3.5 吸附前后的电镜扫描 ................................................................................................................ 13

第四章可变电荷土壤吸附对Cu2+影响因素的研究 .............................. 15

4.1 pH值的吸附影响 ....................................................................................................................... 15 4.2离子强度的吸附影响 ................................................................................................................. 17 4.3有机酸的吸附影响 ..................................................................................................................... 18 4.4重金属的吸附影响 ..................................................................................................................... 19 4.5本章小结 ..................................................................................................................................... 20

第五章 铜离子吸附的热力学与动力学研究 .................................... 21

5.1铜离子吸附热力学研究 ............................................................................................................. 21 5.2铜离子吸附动力学研究 ............................................................................................................. 23 5.3本章小结 ..................................................................................................................................... 25

第六章 结论与展望 ........................................................ 27

6.1结论 ............................................................................................................................................. 27 6.2展望 ............................................................................................................................................. 27

参考文献 ................................................................. 29 致谢 ..................................................... 错误！未定义书签。

IV

第一章 绪论

1.1研究背景

土壤与我们的生活息息相关，是我们获取食物和其他能源的基础。随着工业以及农业生产越来越现代化，重金属污染已经成为一个危害全球环境质量的主要问题[1]。全球范围内，有毒重金属含量在土壤中急剧增加[2]，重金属被作物吸收进入食物链而最终被人体摄取, 这将严重威胁人类健康[3-4]。

我国区域农业环境重金属污染情况非常严重。据统计，在1980年时，我国工业三废污染耕地面积仅为266.7万hm2，在1992年面积大幅度增加到了1000万hm2[5]。由于重金属的污染，导致我国每年粮食减产超过1000万吨，被重金属污染的粮食更是多达1200万吨，合计经济损失每年至少要200亿元[6]。

全球人口数量的快速增加、工业生产越来越现代化以及城市化发展的步伐不断提高，土壤这一人类赖以生存的基础所承受的压力越来越高。目前，全世界平均每年排放Hg约1.5万吨，Cu 340万吨，Pb500万吨，Mn1500万吨，Ni100万吨[7]。土壤由于自身的性质成为了这些重金属污染物的归宿地。随着人类的发展，土壤重金属污染的问题越来越严重、土壤肥力退化、农作物产量的降低以及品质的下降，严重影响地球的环境质量以及经济的可持续发展。

在地球上，有两种存在明显差异的土壤体系，一种是以恒电荷表面的粘土矿物为主，主要分布在温带地区，另外一种以恒电位表面的粘土矿物为主，主要分布在热带及亚热带地区。

随着全球的农业发展重心慢慢转移到热带以及亚热带地区，于是，对于含永久电荷产物和可变电荷矿物混合体系土壤表面化学特性的研究越来越受到人们的重视，“可变电荷土壤”的概念也是那时提出的。

在“可变电荷土壤”中，土壤的“可变电荷”是相对于“永久电荷”来说的。土壤之所以区别于纯砂，主要是因为土壤中带有电荷，这也是土壤具有肥力的原因。“可变电荷土壤”主要指热带、亚热带含有大量氧化铁铝的氧化土、温带灰土和含大量水铝英石的火山灰土。我国热带和亚热带地区的“可变电荷土壤”包括有砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、棕黄壤等主要土壤，以及由这些土壤发育而来的水稻土。统称为红壤系列或富铝化土纲，习惯称“南方红（黄）壤”。

土壤中重金属的毒性、农作物对于重金属的吸收以及重金属从陆地向地表水体的迁移，这些主要由土壤溶液中重金属的浓度所决定[8]。土壤对重金属的吸附和解吸过程是重金属浓度的一个重要因素[9-11]。关于土壤中重金属吸附和解吸过程的研究，国内外目前多是以温带地区的恒电荷土壤为供试土样，对于重金属在

可变电荷土壤中的吸附和解吸研究相对较少[12-13]。

在我国南方热带、亚热带地区分布有很大一部分面积的可变电荷土壤（砖红壤）[14]。这类土壤由于遭受到相对较强烈的风化和淋溶作用，使其表面不仅带有负电荷，还带有一定数量的正电荷。与恒电荷土壤相比，可变电荷土壤的负电荷量阳离子交换量（CEC）相对要低一些，因此可变电荷土壤对于重金属的吸附容量要低于恒电荷土壤。另外，由于可变电荷土壤一般呈酸性，在可变电荷土壤中重金属离子的活性相对要高于恒电荷土壤。

1.2国内外研究现状

随着近代工农业的发展，天然水环境的污染日益严重。其中，重金属作为水体中的主要污染物之一，越来越受到人们的普遍关注。重金属具有不可降解性、迁移性小以及易土壤中富集等特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。吸附作用是重金属进入土壤、水体沉积物以及水体中的悬浮颗粒物后发生的一个重要过程。重金属在土壤或沉积物上的吸附除了受到重金属本身的性质，土壤、沉积物中的胶体物质和有机质等影响外，其他污染物的存在也会影响重金属在土壤和沉积物中的吸附行为。

我国幅员辽阔，陆地总面积约960万平方千米，亚热带地区南北有着非常大的地理跨度，因此，即使成长在类似母质的土壤，其土壤间的发育情况也是有一些差异的[15]。重金属的吸附行为对于土壤的表面电荷性质有着很重要的影响，可是目前国内外对于可变电荷土壤发育情况与重金属离子吸附行为之间的研究报道不是很多，仍然有很大的研究空间。

在我国南方热带和亚热带地区分布着大面积的可变电荷土壤（砖红壤）。由于遭受比较强烈的风化和淋溶作用，这类土壤的表面既带负电荷，又带有一定数量的正电荷，而且土壤的负电荷量阳离子交换量一般低于恒电荷土壤。因此，它们对重金属阳离子的吸附容量也低于恒电荷土壤。此外，可变电荷土壤一般呈酸性，重金属离子在这类土壤中的活性和生物有效性相对高于恒电荷土壤。

1.3水环境重金属污染现状

水环境主要包括河流、湖泊、水库、海洋以及各种工业用水、排放水和生活用水等水体的环境。水环境重金属污染，是指排入水体的重金属物质超过了水的自清洁能力，使水的组成及其性质发生变化，从而使水环境中生物生长条才件恶化，并使人类生活和健康受到不良影响的情况。在国内外，随着近年来经济建设的快速发展以及各种生产活动的扩大，各类水环境中重金属污染日趋严重。

1.3.1国内水环境重金属污染现状

自改革开放以来，我国工农业生产和第三产业发展迅速，含有重金属在内的大量污染物排入江河湖泊和海洋等水体中，造成了水质日益被污染和破坏等问题，并带来了一系列的后果。

韩伟民[16]在对浙江千岛湖的水环境质量调查中发现，湖底沉积物中Cd、Hg、Zn等重金属的自然富集系数大于正常值的两倍，呈现出Cd、Hg、Zn污染迹象；南京玄武湖属浅水型湖泊，湖水主要靠钟山北麓雨水供给，袁旭音[17]在对中国湖泊污染状况的调查中发现，玄武湖湖底沉积物中重金属的含量均超过南京相应地区土壤中重金属的平均值，主要重金属污染物为Zn、Cu、Cr、Hg等。山东省西南的南四湖是山东省最大的浅水型淡水湖泊，金相灿[18]等在对中国湖库水质调查中发现，南四湖底质己受到Cr、Hg等重金属污染。四川凉山州大桥水库是一座大型综合水利工程，流域内无大中型工矿企业，工业污染源极少，监测结果表明，水体中仅铜元素超标，底泥中重金属检出项目较多，含量大体与上游背景值相近，重金属检出项目较多主要是库区地壳矿物质背景条件偏高所致，人为影响次要。滇池水系也受到污染，主要重金属污染元素为Sn、Pb、Cr、Hg等。位于湖南省吉首市吉首大学新校区内的风雨湖，由于工业和生活污水的排放，大肠菌群已严重超标，但水样中重金属离子未超标。苏州河上海市区段，底泥呈现Cr和Cd污染状[19]。

我国饮用水水源主要是河流、湖泊及水库等地表水。有关部门对这几类水体的监测分析数据表明，主要的重金属污染物为汞，地表水饮用水源的福污染仅次于汞，铬和铅污染也比较普遍，其它重金属如镍、佗、彼、铜在中国各类饮用地表水水体中超标现象也比较严重[20]。贵州和四川的汞矿开发己对乌江下游的生态与环境产生影响，如洪渡河己遭到严重的汞污染。徐小清[21]等的研究报道，在我国最大的河流长江的三峡库区江段，各类沉积物中重金属元素含量主要受上游泥沙以及沿江城市和企业“三废”排放等影响，并均已受到不同程度的污染。Zhang[22]等通过对长江沿岸5个工业点的调查发现，石洞口由于附近污染物的直接排放，Cu、Zn和Pb的浓度很高。黄河、珠江、海河等也受到不同程度的重金属污染。

1.3.2国外水环境重金属污染现状

在国外，水环境受重金属污染的各类报道也很多。如在日本发生的水误病和骨痛病等，据We-ber[23]报道，美国国内约有1万多家公司从事电镀和金属磨光等产业，这些公司直接或间接排放含重金属的工业废水，造成水环境重金属污染。Thomton[24]报道，作为世界金属熔炼工业中心的英国威尔士南部港口城市斯旺西，当地水环境中的Cu、Zn、Pb、Cd等重金属污染较严重。丹麦的哥本哈根海港区以船舶修理制造和重化工产业等为主导产业，经调查，该地区的浅海沉积物