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土壤胶体界面五氯酚的还原转化研究

王旭刚  
【摘要】: 本研究采用化学方法合成针铁矿、纤铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿等常见铁氧化物,利用X射线衍射(XRD)、低温氮气吸附(BET)、傅立叶红外(FTIR)、扫描电镜-能量弥散光谱(SEM-EDX)等手段表征其晶体结构、比表面、表面形貌、表面元素组成等方面的物理化学性质。以五氯酚为目标污染物,采用动力学批试验方法较系统地研究了铁氧化物/水界面五氯酚的非生物转化动力学。XRD、SEM等表征结果表明四种铁氧化物合成成功,并且每种铁氧化物都具有相应的单晶结构。纤铁矿、赤铁矿、针铁矿和磁赤铁矿表面五氯酚的去除率分别71.2%、36.0%、8.49%和2.71%,转化速率常数分别为0.144±0.008、0.062±0.003、0.014±0.001和0.004±0.001 d-1。发现草酸等低分子量有机酸能够显著促进铁氧化物界面五氯酚的非生物转化过程与还原脱氯效率。研究了铁氧化物结构、酸碱度、缓冲体系、有机酸种类与浓度、亚铁离子浓度、锰铜等二价过渡金属离子等因素对铁氧化物界面五氯酚非生物转化动力学的影响,发现铁氧化物晶体结构是影响其界面五氯酚转化的关键因素。体系pH显著影响五氯酚的还原转化,在pH从3.0到4.0的范围内,转化速率常数随着pH的升高而升高,在pH4.0到8.0的范围内则随pH的升高而降低。Fe(II)、Mn(II)或者草酸、柠檬酸、琥珀酸、酒石酸等有机酸的加入可以显著促进铁氧化物界面五氯酚的非生物转化。添加Cu(II)后在体系中存在Fe(II)时促进五氯酚的转化。铁氧化物表面五氯酚的转化速率随Fe(II)浓度的增加而增加,随草酸浓度的增加而先增后降,在2.0 mM时转化效率最大。促进五氯酚转化的措施,比如添加Fe(II)和有机酸等,也促进了转化过程中氯离子的释放。 提取了不同土壤类型、不同成土母质等红壤与水稻土胶体,系统分析了这些胶体的矿物组成、元素组成、形貌、比表面积、铁的形态分布等基本性质,较系统地研究了土壤胶体界面五氯酚的非生物转化动力学。经过19d的还原转化后,土壤胶体对五氯酚平均去除率为(35.09±17.80)%,不同土壤胶体间差异较大。就土壤类型而言,砖红壤水稻土赤红壤红壤胶体,就成土母质而言,玄武岩发育土壤对五氯酚的去除率明显高于砂页岩发育土壤和第四纪红土发育土壤。土壤胶体表面五氯酚的平均转化速率为0.023±0.010 d-1,不同土壤之间差异较大。就土壤类型来说,砖红壤水稻土赤红壤红壤,就成土母质而言,玄武岩砂页岩第四纪红土。发现添加低分子量有机酸、Fe2+均显著促进有机氯的非生物转化与还原脱氯过程。添加1.0 mM Fe(II)可使五氯酚的平均去除率增加了67.58±17.65%,也可使五氯酚的平均转化速率常数增加了1.85±0.91倍。添加1.0 mM草酸后,五氯酚的平均去除率增加1.31±0.51倍,平均转化速率增加2.65±0.79倍。分析了多相铁氧化物-有机酸配体的存在状态与有机氯还原转化的关系;五氯酚转化过程中吸附态与溶液态铁离子/亚铁离子的循环转化过程;探讨了土壤胶体的比表面积、有机质含量、土壤酸碱度、铁的形态分布等基本性质与五氯酚非生物转化动力学的关系。 理论分析了有机氯等污染物的还原转化过程中,具有高还原活性的吸附态≡Fe(II)物种起着关键作用,各种有机酸配体能够促进高还原性的活性铁物种的产生。探讨了有机酸存在时,铁物种的转化与循环过程,以及这些过程与有机氯脱氯还原过程的耦合机制。加深了对五氯酚在污染沉积物或者地表环境中自然转化的认识,并为理解五氯酚在自然环境中转化及其归宿提供理论依据,为利用土壤特性处理五氯酚污染土壤的处理措施、为探讨复杂土壤体系对有机氯污染物的自然净化能力和污染土壤的原位修复技术提供理论支持,对环境污染的防治和生态环境的保护有重要意义。


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