鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)重金屬鉛鎘吸附解吸特征及其影響因素研究.pdf

1、隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬引起的污染問題日趨嚴(yán)重，使得重金屬污染成為現(xiàn)今危害最大的環(huán)境問題之一。了解重金屬在土壤中的環(huán)境行為是控制土壤重金屬污染的重要科學(xué)基礎(chǔ)。鐵、錳氧化物廣泛存在于土壤，對(duì)重金屬在土壤中的形態(tài)、轉(zhuǎn)化和生物活性具有重要影響，因而對(duì)于鐵氧化物或錳氧化物吸持重金屬的特性受到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，迄今，對(duì)于兩類氧化物對(duì)重金屬的吸附已經(jīng)開展了不少研究。但土壤環(huán)境中鐵氧化物或錳氧化物兩者常常共生，形成混合態(tài)的鐵錳復(fù)合氧化物，而混合態(tài)

2、的鐵錳復(fù)合氧化物與重金屬鉛、鎘之間的相互作用及其環(huán)境效應(yīng)目前尚無(wú)系統(tǒng)研究，因此對(duì)鐵錳復(fù)合氧化物與鉛、鎘的相互作用及其機(jī)理的探索顯得十分必要，這對(duì)于闡明實(shí)際土壤環(huán)境中鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)鉛、鎘的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性的影響，以及土壤重金屬污染調(diào)控與修復(fù)均具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　 本文通過等溫吸附/解吸試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了pb2+、Cd2+離子在鐵錳復(fù)合氧化物上的吸附和解吸特征，溶液pH、離子強(qiáng)度、溫度等因素對(duì)吸附/解吸過程的影響，

3、反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征；研究了pb2+、Cd2+離子在鐵錳復(fù)合氧化物上的競(jìng)爭(zhēng)吸附特征，為深入了解鉛、鎘在土壤中的環(huán)境行為，土壤鉛、鎘污染的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　 鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+具有較強(qiáng)的吸附能力。從吸附率探討，鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+的吸附率均較高，在Pb2+、Cd2+初始濃度為0.2mmol.L-1時(shí)，吸附率最高分別可達(dá)97.56％，85.23％。鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、C

4、d2+的吸附以Langmuir方程擬合效果最佳，F(xiàn)reundlich方程次之。在25℃條件下，鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+的最大吸附量分別為587.78mg.g-1，163.93mg.g-1。與吸附率相比，鐵錳復(fù)合氧化物中pb2+、Cd2+的解吸率較小，pb2+解吸率均小于18.69％，Cd2+解吸率均小于10.70％，可見鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)鉛、鎘結(jié)合較牢固，不易解吸下來。
　　 鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+的吸附受介

5、質(zhì)pH、離子強(qiáng)度及溫度的影響。結(jié)果表明，在相同離子強(qiáng)度、相同反應(yīng)溫度條件下，pH在4.0～8.0范圍內(nèi)，pH對(duì)鐵錳復(fù)合氧化物吸附pb2+、Cd2+的影響規(guī)律類似，隨著pH的升高鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+最大吸附量Qmax增大，吸附力常數(shù)K呈增加的趨勢(shì)，說明pH升高有利于鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+的吸附。反應(yīng)溫度為25℃，pH為8.0時(shí)，其對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附量分別為258.340mg.g-1、119.058mg.g

6、-1，而pH為4.0時(shí)的吸附量分別為222.964mg.g-1、95.338 mg.g-1，鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附機(jī)制主要為配位吸附和離子交換吸附，其中配位吸附程度較離子交換程度要大。相同pH和溫度下，離子強(qiáng)度從0.00增加到0.01mol.L-1，其對(duì)pb2+、Cd2+吸附量亦增加，但離子強(qiáng)度從0.01mol.L-1繼續(xù)上升到0.10mol.L-1，其對(duì)pb2+的吸附量呈減小的趨勢(shì)，而對(duì)Cd2+的吸附量亦呈增加的趨勢(shì)

7、。熱力學(xué)試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，pb2+在鐵錳復(fù)合氧化物上的吸附量減少，在298.2、308.2K溫度下pb2+標(biāo)準(zhǔn)自由能變△Gmθ、焓變△Hθ、熵變△Sθ均為負(fù)值，反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng)，較低溫度有利于反應(yīng)進(jìn)行；而Cd2+在鐵錳復(fù)合氧化物上的吸附量隨著溫度的升高而增加，在298.2、308.2K溫度下Cd2+標(biāo)準(zhǔn)自由能變△Gmθ為負(fù)值、焓變△Hθ、熵變△Sθ均為正值，反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于反應(yīng)的進(jìn)行。鐵錳復(fù)合氧化

8、物對(duì)鉛離子、鎘離子的吸附量、吸附熱力學(xué)方面存在一定的差異。究其原因，一是pb2+、Cd2+的水解能力不同，鉛離子的水解能力更強(qiáng)一些，在實(shí)驗(yàn)條件下更容易形成多羥基配離子而與吸附劑發(fā)生配位吸附；二是pb2+、Cd2+的電子層結(jié)構(gòu)的不同，pb2+外層有6層電子層，而Cd2+外層只有4層電子層，pb2+受吸附劑影響而產(chǎn)生的變形性大于Cd2+，因而鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)鉛離子的吸附量、吸附力、焓變絕對(duì)值大于鎘離子。
　　 等溫吸附/解吸動(dòng)力學(xué)試

9、驗(yàn)表明，鐵錳復(fù)合氧化物吸附pb2+、Cd2+的速度較快，在最初的60min內(nèi)吸附量可達(dá)到最終平衡吸附量的90％左右。與吸附過程相比，pb2+、Cd2+的解吸過程有滯后現(xiàn)象出現(xiàn)，達(dá)到解吸平衡的速度較慢，pb2+在最初的120min內(nèi)方可達(dá)到最大解吸量的90％左右，Cd2+在最初的480min內(nèi)方可達(dá)到。鐵錳復(fù)合氧化物吸附pb2+、Cd2+的動(dòng)力學(xué)過程以Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合效果最優(yōu)。pb2+、Cd2+的Lagergren吸附

10、常數(shù)K隨著不同初始濃度增加而增大。隨著pb2+的初始濃度從0.2 mmol.L-1增加到0.4 mmol.L-1，Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的吸附常數(shù)K從0.0106g.mg-1.min-1增加到0.0192 g.mg-1.min-1；隨著Cd2+的初始濃度從0.2 mmol.L-1增加到0.8 mmol.L-1，Lagergren二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的吸附常數(shù)K從0.0110g.mg-1.min-1增加到0.0258g.mg-1.mi

11、n-1。說明離子初始濃度的增加促進(jìn)了吸附量的增加。
　　 競(jìng)爭(zhēng)離子的存在影響pb2+、Cd2+在鐵錳復(fù)合氧化物上的吸附。研究結(jié)果表明，無(wú)論是固定體系中Cd2+濃度，改變競(jìng)爭(zhēng)離子pb2+的初始濃度，還是固定體系中pb2+濃度，改變競(jìng)爭(zhēng)離子Cd2+的初始濃度，競(jìng)爭(zhēng)體系中鐵錳復(fù)合氧化物對(duì)pb2+、Cd2+兩離子中任一金屬離子的吸附量均低于單一離子體系(非競(jìng)爭(zhēng)體系)的吸附量。這說明當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)離子存在時(shí)，鐵錳復(fù)合氧化物的吸附點(diǎn)位有一部分被競(jìng)