长江口悬浮泥沙的吸附—解吸作用对元素固—液相态转化控制的研究

【摘要】： 陆-海相交处的河口混合区具有多方面的功能。河口中的盐度、悬浮泥沙浓度等因素的时空变化频繁，并通过吸附及解吸等过程控制着化学元素在颗粒固相和溶液相之间的相态分配。河口中元素向海洋的输送通量变化很大，为了能正确地评估溶解态元素的输送通量，弄清楚河口混合过程对元素固-液相态转化的各种效应是重要的。 中国河流普遍具有水浅、多沙和泾流量大的显著特征，因此，研究中国河口区元素固-液相态变化过程具有区域特殊性意义。长江河口区是研究陆-海相互作用的重要场所，可作为研究生物地球化学过程的天然实验室。本论文即针对取自长江口的样品，系统性地研究了盐度、pH和悬浮泥沙浓度等重要环境因素对一些微量化学元素(包括Cu、Zn、Cd、Co、Ni)固-液相态变化的影响。 基于现场调查和实验室中的模拟，主要研究结果总结如下： 1．长江口悬浮泥沙浓度变化很大。在最大浑浊带，悬浮泥沙浓度达到2000mg／l，甚至更多。长江口水体pH的变化范围基本为7.7-8.3。河水的主要离子组成特征是HCO_3~-＞Cl~-+SO_4~(2-)，Ca~(2+)＞Mg~(2+)+Na~++K~+，并与悬浮泥沙浓度、pH的变化无关。在河口盐度梯度上，主要阳离子浓度可以用长江河水与口外海水的线性混合所预测。 2．模拟结果表明，长江口微量金属固-液分配的pH效应显著，pH的升高增大了微量金属在泥沙中的分配，并可促使微量金属元素向泥沙固相中转移。 3．水体悬浮泥沙浓度的增大将普遍提高体系中微量金属在固相中的吸附，但对微量金属的固-液分配系数K_d(为金属在泥沙固相中的质量浓度与其在溶液相中的体积浓度之比值)的影响并不显著。这一模拟研究结果说明，通常文献报道的在河口混合区某些情况下的微量金属固-液分配的所谓“颗粒物浓度效应”主要与河口现场泥沙颗粒的物理动力学过程有关。 4．固-液悬浮体系中微量金属浓度的提高不仅显著降低了微量金属在泥沙固相中的分配百分率，同时亦降低了微量金属在固-液两相之间的分配系数。在某一给定pH条件下，长江口悬浮泥沙对5种金属的吸附符合朗格谬尔关系，这表明，在高浑浊度天然水体中微量金属浓度的变化对它们在固-液两相之间的分配系数影响不大。 5．实验研究显示，固-液悬浮体系中盐度的增大降低了Cu、Zn、Cd、Co和Ni在泥沙固相中的吸附，其中金属Cd受盐度影响最为显著，这与水体中Cl~-对溶液相中Cd的较高络合能力密切相关。但对于Cu、Zn、Co和Ni固-液分配的盐度效应，则还需要考虑盐度变化引入的高浓度阳离子的竞争性吸附以及溶液相中其他配位体的络合作用的影响。另一方面，因受到受到动力学因素控制，高盐度水对固相中金属的解吸作用是有限的。 华东师范大学博士学位论文 摘要 6.在固一液界面离子交换模型的基础上，以长江口现场调查得到的pH、悬浮泥沙 浓度、金属浓度和盐度作为模型的输入量探讨了Cu、zn、Cd、C。和Ni在长江口盐 度梯度上固一液相态变化，并将模型输出结果与长江口几种金属的历史观测资料进行了 对比。结果显示，溶解态Cu和Zn在长江口低盐度区趋于部分混合保守性，其他三种 微量金属都不同程度呈现出全盐度范围内的溶出行为。 7.针对长江口的悬浮泥沙、盐度等分布特征和模拟实验，综合分析了几种微量重 金属通过河口混合区不同断面处溶解态通量的变化，结果表明，除金属Cu外，其它 几种金属的溶解态通量将随着向口外距离的增加而增大。表现出河口对几种金属溶解 态入海通量的“放大效应’，。