磷在聚合羟基铁铝—蒙脱石复合体上的吸附机理和竞争吸附行为研究

论文摘要

土壤中磷的地球化学行为与土壤组成、pH等因素密切相关。天然酸性土壤和水体中（pH =4.05.5）,溶解的铁铝可与-OH形成不同聚合度的高价聚合羟基铁铝阳离子（HyFeAl-Mt）,这些阳离子可吸附在土壤中含量较高的蒙脱石矿物表面及层间,形成聚合羟基铁铝-蒙脱石（HyFeAl-Mt）复合体。这些复合体广泛存在于自然界中,因此在很大程度上影响着土壤中的营养物质和污染物在土壤-溶液之间的吸附/解吸及迁移等行为。聚合羟基铁、铝-蒙脱石复合体对重金属离子、AsO43-的吸附已有广泛研究,但作为酸性和弱酸性土壤中的重要组成HyFeAl-Mt复合体对磷的吸附行为还未见报道。本文为模拟酸性和弱酸性土壤中的铁铝改性蒙脱石复合体,首先制备了OH/M（M为金属离子）摩尔比为2.0,羟基铝-蒙脱石（HyAl-Mt）、羟基铁铝-蒙脱石（HyFeAl-Mt）,Fe:Al摩尔比为0.1、0.2、0.5;Fe/Mt比例不同的两种羟基铁-蒙脱石（HyFe-Mt）复合体,并对其进行了表征;在实验室条件下进行了磷在蒙脱石复合体上吸附行为的研究,主要内容包括:（1）溶液初始pH、吸附剂用量的影响;（2）磷在蒙脱石复合体上的吸附动力学、吸附等温线以及各吸附剂对磷吸附行为的对比;（3）老化作用对磷吸附的影响;（4）低分子有机酸对磷在蒙脱石复合体上吸附的影响。同时,通过HyFeAl-Mt对磷的解吸实验,考察了磷在蒙脱石复合体上吸附的稳定性,所得结论如下:（1）通过对蒙脱石及各蒙脱石复合体进行X射线衍射分析（XRD）、零电荷点测定（pHzpc）、阳离子交换容量（CEC）测定和比表面积分析表明:聚合羟基金属离子成功交换进入蒙脱石层间,羟基铁离子的掺加以及Fe:Al摩尔比的变化都对蒙脱石复合体的结构产生显著影响;蒙脱石复合体的结构特性与钠基蒙脱石相比其结晶度降低、微孔结构增加。（2）酸性和弱酸性条件下,研究了磷在各蒙脱石复合体上的吸附行为。结果表明:磷在各蒙脱石复合体上的吸附,在实验pH范围内（3.06.5）,pH升高,磷吸附量减小。蒙脱石复合体中铁含量越高,磷吸附量受pH影响越小;随Fe:A1摩尔比增大,HyFeAl-Mt对磷的吸附能力增强,铁含量是磷吸附的重要控制因素;蒙脱石复合体对磷吸附能力的大小,主要依靠吸附剂内外表面提供的吸附位决定;磷在蒙脱石复合体上的吸附可用Langmuir吸附等温线描述;磷在HyFeA1-Mt0.2和HyFeA1-Mt0.5上的吸附动力学过程分快、慢两过程,均能较好的符合准二级动力学方程;也同时较好的符合其他动力学方程。（3）研究了酸性条件下老化作用对磷吸附的影响,主要包括老化时间、老化酸度对磷吸附/解吸的影响。结果表明:随着蒙脱石复合体中铁含量增多,吸附磷后引起溶液pH变化越小;老化时间增长,磷吸附量增加,但8d以后老化时间增长,磷吸附量增加变缓;磷在蒙脱石复合体上吸附较稳定,老化作用对磷的解吸影响较小。低pH时,磷吸附受老化作用影响较高pH时显著,特别是在含铝较多蒙脱石复合体上的吸附,其对磷吸附的影响受pH影响就更加显著。（4）以柠檬酸、草酸和苹果酸为代表,研究了酸性和弱酸性条件下低分子有机酸对磷在蒙脱石复合体上吸附的影响。结果表明:在酸性条件下,低分子有机酸对磷吸附的影响高于弱酸性条件,且随着其浓度增大影响增加;低分子有机酸分子结构中官能团羧基个数越多、分子结构越大,对磷在HyFe/Al-Mt上的吸附影响越大;酸性环境中磷与低分子有机酸共存时,吸附曲线较好的符合Freundlich方程,且其对磷在HyFe/Al-Mt0.2上的最大吸附量影响较小;低分子有机酸的不同加入顺序对磷吸附的影响不同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 蒙脱石的结构及特性
• 1.1.1 化学组成及结构
• 1.1.2 蒙脱石的电荷
• 1.1.3 蒙脱石矿物的零电荷点
• 1.1.4 蒙脱石的表面积
• 1.2 铁、铝蒙脱石复合体的研究
• 1.2.1 土壤中的铁铝存在形态和蒙脱石复合体形成
• 1.2.2 铁、铝蒙脱石复合体结构特征及吸附研究
• 1.3 磷在土壤中吸附的研究
• 1.3.1 磷在土壤中吸附机制的研究
• 1.3.2 磷吸附与土壤中铁铝的关系
• 1.3.3 低分子有机酸对磷在土壤中吸附行为的影响
• 1.4 主要研究内容
• 1.4.1 聚合羟基铁、羟基铝和羟基铁铝-蒙脱石复合体的表征
• 1.4.2 聚合羟基铁铝-蒙脱石复合体对磷的吸附
• 1.4.3 老化作用对磷吸附的影响
• 1.4.4 低分子有机酸和磷的竞争吸附
• 2 聚合羟基铁、羟基铝和羟基铁铝-蒙脱石复合体的表征
• 2.1 仪器、药品及试剂
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品及试剂
• 2.2 HyFe-Mt、HyAl-Mt 及 HyFeAl-Mt 复合体的制备
• 2.2.1 钠基蒙脱石的制备
• 2.2.2 无机柱化剂的合成
• 2.2.3 HyFe-Mt、HyAl-Mt 及HyFeAl-Mt 复合体的制备
• 2.3 HyFe-Mt、HyAl-Mt 及 HyFeAl-Mt 复合体的表征
• 2.3.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 零电荷点（pHzpc）的测定
• 2.3.3 阳离子交换容量（CEC）的测定
• 2.3.4 BET 法测定比表面积
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 零电荷点（pHzpc）
• 2.4.3 阳离子交换容量（CEC）的测定
• 2.4.4 比表面积
• 2.5 小结
• 3 聚合羟基铁铝-蒙脱石复合体对磷的吸附
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 磷的测定
• 3.1.1.1 标准曲线的制作
• 3.1.1.2 样品吸光度的测定
• 3.1.2 磷的吸附/解吸实验
• 3.1.2.1 吸附实验
• 3.1.2.2 磷吸附动力学实验
• 3.1.2.3 吸附等温线
• 3.1.2.4 解吸实验
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 磷吸附影响因子的研究
• 3.2.1.1 pH 对磷吸附的影响
• 3.2.1.2 吸附剂用量对磷吸附的影响
• 3.2.2 磷的吸附动力学
• 3.2.3 磷吸附等温线
• 3.2.4 不同吸附剂对磷吸附的对比
• 3.2.5 磷的解吸
• 3.3 环境意义
• 3.4 小结
• 4 老化作用对磷吸附的影响
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 老化作用对磷吸附的影响
• 4.1.2 老化作用对磷解吸的影响
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 老化过程中pH 的变化
• 4.2.2 老化作用对磷在蒙脱石复合体吸附/解吸的影响
• 4.2.3 酸度对老化作用的影响
• 4.3 小结
• 5 低分子有机酸对磷吸附的影响
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 低分子有机酸浓度和分子结构对磷吸附的影响
• 5.1.2 低分子有机酸对磷在各蒙脱石复合体上吸附影响的对比
• 5.1.3 低分子有机酸存在时磷的吸附等温线
• 5.1.4 不同加入方式对低分子有机酸和磷吸附行为的影响
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 初始pH 和低分子有机酸浓度对磷吸附的影响
• 5.2.2 低分子有机酸结构对磷吸附的影响
• 5.2.3 低分子有机酸对磷在不同蒙脱石复合体上吸附影响的对比
• 5.2.4 低分子有机酸存在下磷的吸附等温线
• 5.2.5 不同加入顺序对低分子有机酸和磷吸附行为的影响
• 5.3 环境意义
• 5.4 小结
• 6 结束语
• 参考文献
• 致谢