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干旱区绿洲灌漠土重金属吸附—解吸机理及其应用研究

王胜利  
【摘要】: 土壤对重金属的吸附—解吸是影响土壤系统中重金属的移动性和归宿的主要过程,影响着植物养分和污染物的控制,影响着重金属的植物有效性和在食物链中传递的程度等等。本文使用序批实验方法、单步提取方法、连续提取方法、相关性分析等方法研究了西北干旱区绿洲灌漠土重金属的吸附解吸机理,包括灌漠土对单个重金属的吸附解吸研究、灌漠土对复合重金属的吸附解吸研究以及灌漠土重金属Cu、Ni的解吸与小麦吸收重金属Cu、Ni的相互关系.这些研究将为认识重金属在干旱区绿洲土壤系统中的化学行为提供基础数据,也为重金属污染土壤的风险评价与修复提供科学依据。根据实验研究得出的主要结论有: (1)对单个重金属和复合重金属进行吸附解吸实验的土壤样品总铜含量变化范围为31.73—59.12 mg/kg,总锌含量为33.53—61.22 mg/kg,总铅含量为12.16—34.13 mg/kg,总镉含量为0.26—0.52 mg/kg,总镍含量为22.64—41.58 mg/kg。根据中国土壤环境质量标准和所测量的五种重金属含量,所研究土壤的环境质量属于Ⅱ类土壤环境质量。 (2)在单个重金属情况下,重金属吸附量因土壤性质和重金属种类不同而有所差异,土壤对重金属的吸附能力从强到弱依次为Pb、Cu、Zn。灌漠土对Cu、Zn、Pb的吸附等温线可以很好地用Freundlich等温方程来拟合,灌漠土对Pb的吸附也可以用Henry很好地来拟合。灌漠土重金属的吸附可能是土壤理化指标的一个联合控制,比如机械组成、pH、CEC、有机物和碳酸盐等,而不是仅有某个土壤理化指标所控制,比如pH或有机物含量等。在低浓度加入的条件下,土壤对重金属的解吸率较小,在高浓度加入条件下,土壤对重金属的解吸率较大;土壤对铜的解吸百分率最大,锌次之,铅最小;这也说明土壤重金属的生物有效性顺序是Cu>Zn>Pb。二次幂函数可以用来模拟灌漠土剖面不同层次土壤重金属解吸量与解吸前吸附量之间的关系。 (3)自然的灌漠土中铜优先存在于残渣态中。灌漠土对铜的高吸附量以及吸附铜的不可逆性(低的可交换态量)说明在一般条件下,灌漠土可以很强的保持铜,可以减少Cu对地下水和食物链污染的风险。在低的浓度加入条件下,土壤样品有机态Cu所占百分比比高浓度时所占百分比高,这说明铜优先和土壤有机物结合,随着Cu加入浓度的增强,铜逐渐占据土壤其它成分所拥有的吸附位。但是有机态Cu所占比例并不是最大,可能是因为本研究所加入的铜浓度较大或本文所研究的干旱区土壤土壤有机质很低。所研究的浓度范围内,普遍是土壤无机态Cu所占百分比比有机态高;铜主要和灌漠土中无机部分结合,这可能和土壤具有高的碳酸盐含量以及高的土壤pH有关。土壤样品残渣态Cu所占百分比随着Cu加入浓度的增加而减小,这说明外来的铜很难进入残渣态。当外加的铜离子进入灌漠土时,一部分铜将进入残渣态,低浓度时,转化为残渣态的量较少,随着浓度的增加,转变为残渣态的量逐渐增大。随着灌漠土铜吸附量的增加,活动性强的形态所占的比例逐渐增大,而活动性弱的形态所占的比例逐渐减少。 (4)五种重金属共存的条件下,灌漠土剖面各层土壤对Cu、Zn、Pb、Cd和Ni的吸附和解吸等温线以及五种重金属总的吸附和解吸等温线与Freundlich型和Langmuir型方程有较好的拟合。根据最大重金属加入浓度时灌漠土各层土壤样品对重金属的吸附量和吸附百分比,可以得出灌漠土对Cu、Zn、Pb、Cd和Ni的吸附能力为Pb>Cu>Cd>Zn>Ni。灌漠土剖面各层土壤样品对五种重金属总的吸附能力的大小顺序是:S_(80-100cm)>S_(40-60cm)>S_(0-20cm)>S_(60-80cm)>S_(20-40cm)。根据同一吸附量下,重金属的解吸量来判断,灌漠土对五种重金属的解吸能力总体上是:Ni>Zn>Cd>Cu>Pb。S_(0-20cm)和S_(20-40cm)的解吸能力大于其它三层土壤样品.土壤中重金属的解吸过程与吸附行为密切相关,二次幂函数可以对不同土壤样品中Cu、Zn、Pb、Cd和Ni解吸量随解吸前吸附量的变化进行模拟。在同样的平衡浓度条件下,吸附试验土壤对单个重金属和五种重金属总的吸附量都比解吸实验所吸附的单个重金属和五种重金属总和要小,这说明灌漠土对Cu、Zn、Pb、Cd和Ni的吸附具有不可逆性。 (5)五种重金属共存条件下,基于重金属吸附的分配系数Kd100,灌漠土重金属吸附的选择顺序具有明显的特征:每个土壤样品对重金属的吸附的选择顺序为Pb>Cu>Cd>Zn>Ni;每个土壤样品对Pb吸附的Kd100是Cu吸附的4倍多;土壤S_(60-80cm)对对Pb吸附的Kd100是Cu吸附的10倍多。根据土壤样品对重金属解吸的分配系数Kd100,每个土壤样品对重金属的亲和力的选择顺序为Pb>Cu>Cd>Zn>Ni,这和土壤样品对重金属的吸附的选择顺序是一致的;每个土壤样品对Pb解吸的Kd100是Cu解吸的4倍多,Pb和Cu的亲和力比其它重金属大的多。 (6)五种重金属共存条件下,在重金属低浓度时(25 mg/l),除土壤S_(20-40cm)外其它土壤样品吸附的铜以有机物结合态为主,在高浓度时(100和200mg/l),每个土壤样品吸附的铜以碳酸盐结合态为主。每个土壤样品在不同浓度下,土壤吸附的锌和铅基本上以碳酸盐结合态和铁-锰结合态为主,碳酸盐结合态大于铁-锰结合态的量。灌漠土吸附的镉主要在碳酸盐结合态和可交换态中,即Cd在添加重金属浓度条件下被保存在碳酸盐结合态和可交换态有更高的趋势,所以由镉排放引起的污染不易消除且影响长久。灌漠土吸附的Ni主要以碳酸盐的形式存在,有相当一部分Ni转化为了残渣态和可交换态。 (7)就所研究的9种方法提取土壤样品Cu、Ni的平均含量而言,提取的Cu含量顺序是EDTA>柠檬酸>NH_4Ac>TCLP>NH_4NO_3>MgCl_2≈酒石酸>乙酸>草酸;提取的Ni含量顺序是TCLP>柠檬酸>EDTA>NH_4Ac>酒石酸>NH_4NO_3≈乙酸≈草酸>MgCl_2。所研究的提取方法中,NH_4Ac和柠檬酸所提取的重金属Cu与小麦根吸收的Cu呈显著的相关性,说明NH_4Ac和柠檬酸可以用来预测干旱区绿洲灌漠土Cu的生物有效性。所研究的方法中没有一个可以较好的来预测灌漠土Ni的生物有效性,也说明生物有效性不仅与所使用提取剂提取的土壤重金属量有关,还可能与土壤性质,土壤与小麦界面相互作用以及气象因子等有关。


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