溶解性有机质对莠去津在土壤/矿物-水界面行为的影响及其机理研究

【摘要】：防治和修复土壤有机污染、保护土壤环境安全、以实现土壤资源的可持续 利用是当前全球关注的一个焦点。研究有机污染物在土壤中的吸附-解吸过程及 作用原理,搞清土壤组分与有机污染物的相互作用关系,解决土壤有机污染修复 中一些重要的根本性的基础科学问题及关键技术问题,将为针对性地拟订经济高效 的土壤有机污染防治和修复的实用技术提供基础依据。 本文在评述有机污染物在土壤中吸附/解吸研究现状、阐述溶解性有机质 (dissolved organic matter,DOM)对有机污染物在土壤/矿物上吸附-解吸的影响作用 和规律的基础上,以三氮苯类除草剂莠去津为代表性有机污染物,围绕DOM对 莠去津在土壤和矿物固/液两相分布的影响规律和原理,研究了DOM在土壤/矿物 中的吸附作用及其与DOM组成和性质、土壤/矿物性质的关系;探讨了溶液中不同 DOM与莠去津的结合作用规律;在上述研究的基础上,重点研究了来源、性质不 同的DOM对土壤/矿物吸附莠去津的增强或抑制作用、基本规律及机制;深入探讨 了DOM对土壤中莠去津的解吸作用规律及影响因素。主要成果如下: (1) 研究了DOM(SSl)对土壤中莠去津解吸的作用规律,探讨了老化吸附 时间对解吸的影响。发现SSl对土壤中莠去津解吸的影响与土壤性质、解吸液中 SSl浓度、离子强度、pH值等有关。SSl浓度较低时对解吸的影响与土壤有机质和 粘粒含量无明显相关性,SSl浓度高时对有机质或粘粒含量高的土壤中莠去津解吸 的影响也较大。在SSl溶液中,pH值对解吸滞后系数的影响不明显,离子强度则 对滞后系数影响显著。0～200天内,随着青紫泥中莠去津老化吸附时间延长,SSl (0～60 mgDOC/L)对土壤中莠去津的解吸率明显趋于减小。另外,SSl尤其是高 浓度SSl对老化时问短的土壤中莠去津解吸的影响更为显著,解吸率的增量大。 (2) 得出土壤/蒙脱石表面吸附态DOM(A2) 与莠去津的结合常数(Kat/soc) 均远大于溶液DOM(A2) 对莠去津的吸附常数(Kat/doc),提出DOM增强莠去津 在土壤/矿物中吸附的主要机理不是DOM吸附增加了土壤/矿物的有机质含量,而 是A2的吸附改变了土壤/矿物表面的特性、极大地增强土壤/矿物表面对莠去津的吸 附能力。施加疏水组分和高分子量组分含量高的DOM(A2) 促进了莠去津在土壤/ 矿物中的吸附,且随A2加入浓度增大,促进作用增强;促进作用的强弱与土壤粘 粒含量成正相关、而与土壤有机碳含量成负相关。 (3) 发现施加疏水组分和高分子量组分含量低的DOM(A1) 抑制了莠去津在 上壤和矿物上的吸附;而且随A1加入浓度提高,抑制作用增强。其机理是:由于 AI含有较多的亲水和极性组分以及低分子量组分,其在不同处理蒙脱石矿物上的 吸附使矿物表面的亲水性或极性加强,不利于分子态荞去津的吸附;Al与荞去津 在矿物表面存在竞争吸附;Al在土壤中的负吸附作用也会引起与土壤有机质结合 的荞去津释放到溶液中,表现为AI对有机质含量高的土壤中荞去津吸附的抑制作 用也更强。 (4)提出DOM(551)从促进到抑制土壤吸附荞去津的过程中存在一个DOM 临界浓度DoMnp。随551浓度提高(o一80 mg Doc/L),551在土壤中的吸附从未 饱和到饱和,荞去津在六种土壤中吸附的Kd*值均呈先增加后减少的趋势,表现为 浓度DOMnp时551能促进土壤吸附荞去津,浓度DOMnP时则抑制吸附。对于 不同土壤来说,DoMnp值与土壤有机质含量呈负相关。 (5)发现DOM在土壤中的吸附存在正吸附(吸附量0)和负吸附(吸附量 0,土壤有机质向溶液中释放)两种作用。供试DOM浓度范围内,疏水组分和高 分子量组分含量高的几种DOM(51、S2、S3、AZ和551)在土壤中的等温吸附曲 线符合Langmul:型方程(尸0.%),吸附量均为正值(正吸附),吸附与土壤有机 质含量呈负相关、与粘粒含量呈正相关;土壤选择性优先吸附DOM的疏水组分和 高分子量(10000)组分。一定浓度后,加入疏水组分和高分子量组分含量低的 DOM(Al、552和553)引起土壤有机质向溶液中释放,且主要释放疏水组分和低 分子量(4000)组分的土壤有机质,释放作用强弱与土壤有机质含量呈显著正相 关;Al、552和553的低分子量组分含量高是其引起上壤有机质释放的主要原因。 (6)提出并证实了矿物选择性优先吸附DOM的疏水组分。DOM在矿物表面 的吸附与DOM疏水组分含量呈正相关(R值为0.7083一0.9211);供试矿物(针铁 矿、铝氧化物、高岭石、蒙脱石、Al一蒙脱石、Fc一蒙脱石、K一蒙脱石和Ca一蒙脱石) 对DOM疏水组分的吸附量要远大于对亲水组分的吸附量。针铁矿、铝氧化物、Al- 和Fe一蒙脱石对DOM疏水组分的优先吸附能力强于其它矿物。但DOM(A2)疏水 组分在不同处理蒙脱石上的吸附曲线符合Freundhch型方程、并接近于线性(n 0.8168),而亲水组分的吸附曲线更接近于非线性(n为0.0488一0.6535)。DOM的 梭基功能团和矿物表面轻基功能团的结合是DOM在矿物表面吸附的主要机制。 关键词:溶解性有机质(DOM);荞去津;土壤;矿物;界面行为;吸附/解吸