重金属汞在典型土壤腐殖酸上的吸附解吸特性研究

论文摘要

人类活动如污水灌溉、不合理的施肥、堆弃填埋垃圾和工业废气排放等造成重金属进入土壤产生污染,对生态环境安全和人类健康造成了潜在威胁。腐殖酸是土壤有机质的主要成分,对吸附重金属起着重要作用。因此,研究重金属汞在土壤腐殖酸各组分上的结合特性,了解汞在典型土壤中是如何被固定和释放的,和探索有效的修复途径具有重要的意义。本文采用国际腐殖酸协会（IHSS）推荐的方法从中国两种典型土壤-东北黑土和江西红土中分别提取了胡敏酸（HA）和富里酸（FA）共四种样品。本文采用等温吸附实验研究了腐殖酸（HAs）对水溶性二价汞(Hg2+)的吸附容量和吸附强度,采用动力学实验研究了胡敏酸对Hg2+的吸附/解吸速率,比较了Hg2+在胡敏酸和富里酸上吸附/解吸能力的异同。本文还应用元素分析、红外光谱、核磁共振和扫描电镜等多种方法,对腐殖酸样品与腐殖酸结合汞样品进行结构表征和吸附特性分析,以期阐明重金属汞与胡敏酸和富里酸的结合特性、在土壤中的固定与释放机理,明确其在土壤中的迁移转化机制,为控制土壤中汞的危害和污染土壤的治理探索有效的修复理论依据。本文的主要研究结果如下:（1）对两种土壤的基本理化性质和腐殖酸样品的元素含量做了实验分析。数据显示黑土的腐殖酸含量和腐殖化程度明显高于红土,土壤样品的总汞含量较高。（2）Hg2+在两种HA和两种FA样品上的等温吸附曲线均可用Langmuir和Freundlich方程拟合。以Freundlich方程描述HA对Hg2+的等温吸附更佳,Langmuir方程描述FA对Hg2+的等温吸附更佳。实验结果表明:Hg2+在HA上的吸附量高于对应的FA。腐殖酸样品解吸率均小于1%,而在HA上的解吸率低于对应的FA。这显示土壤环境中HA对Hg2+的吸持能力更高,固定作用更强。（3）采用动力学实验研究了两种HA对Hg2+的吸附/解吸行为。结果表明:HA对Hg2+的吸附过程可划分为开始的快速吸附和随后的慢速吸附两个阶段,快速反应阶段的吸附量和吸附速率远大于慢速反应阶段。黑土HA与红土HA相比,前者吸附速率更快,快速反应阶段时间更短。（4）pH对Hg2+吸附/解吸动力学的影响实验结果表明:在各酸度下,Hg2+在黑土HA上的最大吸附量均高于红土HA。Hg2+在两种HA上出现最大吸附量的酸度条件顺序为:pH 3.50＞pH 5.00＞pH 6.50,表明在溶液酸度较高时具有更大的吸附容量。动力学方程拟合结果显示:Elovich方程描述HA对Hg2+的吸附动力学最优,其次是双常数方程;以一级动力学方程和抛物线扩散方程分别描述黑土HA-Hg与红土HA-Hg的解吸动力学最适合。（5）对四种腐殖酸样品和四种腐殖酸结合汞样品进行了傅立叶红外光谱（FTIR）表征。红外图谱显示HA和FA有着相同的主要含氧官能团,而在各官能团含量上有所差别。Hg2+的吸附主要是与HA和FA的O-H、C-O和C=O键相结合。（6）对四种腐殖酸样品进行了CP/MAS固态13C NMR表征。核磁图谱显示HA在羰基C和类石蜡结构含量分别高于对应的FA,而FA则在甲氧基C、烷氧基C和羧基C含量上更高。（7）采用扫描电镜（SEM）对四种腐殖酸样品和四种腐殖酸结合汞样品进行了表面性状表征。SEM图片显示了HA、FA和HAs-Hg样品各异的表面结构,吸附前后表面结构的变化可以解释为金属与腐殖酸官能团络合作用造成,进一步解释了Hg2+与腐殖酸螯合机理:HA对汞离子的吸附主要方式是既形成共价络合,也有内部网格束缚:FA吸附汞的主要方式是表面官能团通过静电吸附水合金属离子。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 土壤重金属污染概述
• 1.1.1 土壤重金属污染及危害
• 1.1.2 汞的性质及其危害
• 1.1.3 土壤环境中汞的迁移转化
• 1.2 腐殖酸概述
• 1.2.1 腐殖酸的定义及分组
• 1.2.2 腐殖酸的官能团及分子结构
• 1.2.3 腐殖酸结构的表征方法
• 1.3 腐殖酸与金属离子的相互作用
• 1.3.1 腐殖酸结合金属离子的反应类型
• 1.3.2 腐殖酸结合金属离子的环境影响
• 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
• 2.1.3 测试试剂
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 土壤基本性质测定
• 2.2.2 腐殖酸的提取与纯化
• 2.2.3 腐殖酸结合汞等温吸附/解吸实验
• 2.2.4 腐殖酸结合汞动力学吸附/解吸实验
• 2.2.5 腐殖酸样品的表征
• 第三章 腐殖酸对重金属汞的等温吸附/解吸特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 等温吸附曲线
• 3.3 线性方程拟合
• 3.4 吸附量-解吸量关系
• 3.5 本章小结
• 第四章 腐殖酸对重金属汞的动力吸附/解吸特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 吸附/解吸动力学实验
• 4.3 pH对吸附量的影响
• 4.4 pH对解吸量的影响
• 4.5 动力学方程拟合
• 4.6 本章小结
• 第五章 腐殖酸与腐殖酸结合汞样品的结构表征
• 5.1 引言
• 5.2 腐殖酸含量及元素组成分析
• 5.3 傅立叶红外光谱
• 5.4 固态魔角核磁共振光谱
• 5.5 扫描电镜图谱
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论及创新点
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表