膠體作用下Zn-Cd在不同質(zhì)地土壤中的運(yùn)移實(shí)驗(yàn)及其數(shù)值模擬.pdf

1、土壤的重金屬污染越來(lái)越受到人們的關(guān)注，重金屬能通過(guò)多種途徑進(jìn)入土壤，并不斷積累，由于土壤對(duì)重金屬離子的強(qiáng)吸附性，傳統(tǒng)上把土壤中的重金屬看作是不動(dòng)的。但是在環(huán)境條件變化時(shí)，土壤中富集的重會(huì)屬離子會(huì)釋放到土壤溶液中，并隨之運(yùn)移到地下水中，對(duì)地下環(huán)境造成污染。膠體是土壤中最活躍的組分，它在土壤中是普遍存在的，膠體的存在嚴(yán)重影響著重金屬在土壤中的積累與遷移。因此，研究重金屬在土壤中的吸附、解吸和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及膠體對(duì)其運(yùn)移的影響，對(duì)防治環(huán)境污染和

2、修復(fù)已污染土壤具有重要的理論意義。定量預(yù)測(cè)膠體在污染物運(yùn)移中的作用，可以比較準(zhǔn)確地掌控污染的趨勢(shì)，以便做出更加有效的防治措施。本文以較為常見(jiàn)的鋅、鎘兩種重金屬和Si02膠體以及取自遼寧沈陽(yáng)地區(qū)的砂壤土、粉壤土和壤砂土作為研究對(duì)象，首先研究了靜態(tài)情況下，膠體存在與否，這兩種重金屬在三種不同質(zhì)地土壤中的吸附、競(jìng)爭(zhēng)吸附規(guī)律，比較了不同重金屬、不同土壤的吸附能力及膠體對(duì)不同重金屬吸附的影響：然后探討了膠體存在與否條件下兩種重金屬在不同質(zhì)地土壤中

3、的遷移、競(jìng)爭(zhēng)遷移規(guī)律，并應(yīng)用美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CXTFIT2.1軟件分析了Zn、Cd及膠體在土壤中的穿透曲線(Breakthrough curves，BTCs)，獲得運(yùn)移參數(shù)，進(jìn)而運(yùn)用這些模型參數(shù)對(duì)重金屬及膠體在土壤中的遷移行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。得出以下結(jié)論：
　　 1)靜態(tài)等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論膠體存在與否，隨著平衡液中Zn、Cd濃度的增加，土壤對(duì)Zn、Cd的吸附量逐漸增大；三種質(zhì)地土壤對(duì)Zn、Cd吸附量順序均為砂壤土>粉壤土>壤砂

4、土；Zn2+、Cd2+共存時(shí)，土壤對(duì)這兩種離子的吸附量比單一離子存在的情況下明顯下降；膠體的存在抑制了土壤對(duì)Zn的吸附，促進(jìn)了土壤對(duì)Cd的吸附；就本實(shí)驗(yàn)來(lái)講，F(xiàn)reundlich方程擬合效果優(yōu)于Langmuir方程。
　　 2)與Br的BTCs相比，重金屬的BTCs左半部分陡峭而右半部分的變化相對(duì)平緩且有“拖尾”現(xiàn)象。這表明存在一個(gè)持續(xù)緩慢的解吸過(guò)程，同時(shí)也說(shuō)明離子在遷移過(guò)程中存在著速率限制的吸附解吸的化學(xué)非平衡現(xiàn)象。Zn、Cd

5、在三種不同質(zhì)地土壤中運(yùn)移時(shí)，在壤砂土中運(yùn)移得最快，砂壤土中運(yùn)移得最慢。這是因?yàn)樯叭劳羛H、有機(jī)質(zhì)含量以及粘粒含量較高，使得Zn、Cd遷移受阻，出流量減少。出流液pH的變化在開(kāi)始都是下降的（<1 PV(孔隙體積)時(shí)），之后上升最后趨于平緩。相同孔隙體積時(shí)，pH均表現(xiàn)為砂壤土>粉壤土>壤砂土。
　　 3)膠體的存在明顯促進(jìn)了Zn的遷移，這是因?yàn)槟z體比土壤表面對(duì)Zn顯示出更高的親和性，從而減少了土壤對(duì)Zn的吸附；而Cd的遷移受到一定程

6、度的抑制，穿透曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間延后，相對(duì)濃度峰值變小。這是因?yàn)镃d2+影響了膠體的穩(wěn)定性，部分膠體及其吸附的Cd從流動(dòng)相中分離出來(lái)聚沉于土壤表面，從而使得Cd出流量減少。在三種土壤中，加膠體時(shí)Zn出流液pH高于不加膠體的；加膠體時(shí)Cd出流液的pH低于不加膠體的。
　　 4)在三種不同質(zhì)地土壤的淋濾實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比單一重金屬離子的出流特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，不加膠體時(shí)Cd的相對(duì)濃度峰值高于Zn的；加膠體時(shí)Zn的相對(duì)濃度峰值高于Cd的。這主要是由膠體

7、吸附Zn，Cd的能力不同以及Zn、Cd對(duì)膠體的穩(wěn)定性作用不同引起的。在競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論膠體存在與否，Zn、Cd開(kāi)始出流的時(shí)間比非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的提前，峰值也要高。這是因?yàn)槎吖泊鏁r(shí)相互競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合點(diǎn)位使吸附受到彼此的牽制。其中競(jìng)爭(zhēng)時(shí)Cd的出流量較Zn少，Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力大于Zn，這與其本身的性質(zhì)有關(guān)。不加膠體時(shí)，單一Cd出流液pH高于單一Zn的；加膠體時(shí)，單一Zn出流液pH高于單一Cd的；無(wú)論膠體存在與否，競(jìng)爭(zhēng)遷移出流液pH都最低。
　　

8、 5)不同重金屬對(duì)膠體運(yùn)移的影響有較大差異，Zn單獨(dú)存在的溶液中膠體運(yùn)移最快，表現(xiàn)為出流峰值最高，其次是單一Cd溶液，Zn、Cd共存條件下出流液中膠體峰值最低。這主要是由重金屬離子類型的不同引起的，不同陽(yáng)離子由于聚沉能力的差異對(duì)膠體的穩(wěn)定性影響不同。土壤質(zhì)地不同對(duì)膠體的出流量的影響結(jié)果是，壤砂土出流液中膠體峰值最高，其次是粉壤，砂壤土出流液中峰值最低，這主要是受土壤粘粒含量不同的影響。
　　 6)在將靜態(tài)吸附的數(shù)據(jù)用Langmu

9、ir、Freundlich方程求得阻滯因子Rd(retardationfactor)用于擬合Zn、Cd的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)除壤砂土不加膠體時(shí)Zn的BTC需用Langmuir方法求得的Rd值擬合外，其余情況均用Freundlich方法擬合得更好。這可能是因?yàn)椋孩俑鱾€(gè)吸附位點(diǎn)的能量不完全相同；②有可能存在吸附質(zhì)在表面的反應(yīng)。而Freundlich考慮了不均勻表面的情況，尤其是在適中濃度時(shí)，能夠很好的符合。
　　 7)采用非平衡兩區(qū)模型(T

10、wo-region Model，TRM)擬合Br-的BTCs得到的可動(dòng)水體所占的比例接近于1，表明研究重金屬在土柱中遷移時(shí)可忽略物理非平衡的影響。由非平衡兩點(diǎn)模型(Two-site Model，TSM)對(duì)Zn、Cd及膠體的遷移行為進(jìn)行模擬可以看出，擬合BTCs的r2>0.801，MSE