铁锰复合氧化物对重金属铅镉吸附解吸特征及其影响因素研究

论文摘要

随着工农业的迅速发展,重金属引起的污染问题日趋严重,使得重金属污染成为现今危害最大的环境问题之一。了解重金属在土壤中的环境行为是控制土壤重金属污染的重要科学基础。铁、锰氧化物广泛存在于土壤,对重金属在土壤中的形态、转化和生物活性具有重要影响,因而对于铁氧化物或锰氧化物吸持重金属的特性受到国内外的广泛重视,迄今,对于两类氧化物对重金属的吸附已经开展了不少研究。但土壤环境中铁氧化物或锰氧化物两者常常共生,形成混合态的铁锰复合氧化物,而混合态的铁锰复合氧化物与重金属铅、镉之间的相互作用及其环境效应目前尚无系统研究,因此对铁锰复合氧化物与铅、镉的相互作用及其机理的探索显得十分必要,这对于阐明实际土壤环境中铁锰复合氧化物对铅、镉的迁移、转化和生物有效性的影响,以及土壤重金属污染调控与修复均具有重要的理论和实践意义。本文通过等温吸附／解吸试验,重点研究了Pb2+、Cd2+离子在铁锰复合氧化物上的吸附和解吸特征,溶液pH、离子强度、温度等因素对吸附／解吸过程的影响,反应的热力学和动力学特征；研究了Pb2+、Cd2+离子在铁锰复合氧化物上的竞争吸附特征,为深入了解铅、镉在土壤中的环境行为,土壤铅、镉污染的修复提供科学依据。主要研究结果如下：铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+具有较强的吸附能力。从吸附率探讨,铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的吸附率均较高,在Pb2+、Cd2+初始浓度为0.2mmol.L-1时,吸附率最高分别可达97.56%,85.23%。铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的吸附以Langmuir方程拟合效果最佳,Freundlich方程次之。在25℃条件下,铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的最大吸附量分别为587.78mg.g-1,163.93mg.g-1。与吸附率相比,铁锰复合氧化物中Pb2+、Cd2+的解吸率较小,Pb2+解吸率均小于18.69%,Cd2+解吸率均小于10.70%,可见铁锰复合氧化物对铅、镉结合较牢固,不易解吸下来。铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的吸附受介质pH、离子强度及温度的影响。结果表明,在相同离子强度、相同反应温度条件下,pH在4.0～8.0范围内,pH对铁锰复合氧化物吸附Pb2+、Cd2+的影响规律类似,随着pH的升高铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+最大吸附量Qmax增大,吸附力常数K呈增加的趋势,说明pH升高有利于铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的吸附。反应温度为25℃,pH为8.0时,其对Pb2+、Cd2+的吸附量分别为258.340mg.g-1、119.058mg.g-1,而pH为4.0时的吸附量分别为222.964mg.g-1、95.338 mg.g-1,铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+的吸附机制主要为配位吸附和离子交换吸附,其中配位吸附程度较离子交换程度要大。相同pH和温度下,离子强度从0.00增加到0.01mol.L-1,其对Pb2+、Cd2+吸附量亦增加,但离子强度从0.01mol.L-1继续上升到0.10mol.L-1,其对Pb2+的吸附量呈减小的趋势,而对Cd2+的吸附量亦呈增加的趋势。热力学试验表明,随着温度的升高,Pb2+在铁锰复合氧化物上的吸附量减少,在298.2、308.2K温度下Pb2+标准自由能变ΔGmθ、焓变ΔHθ、熵变ΔSθ均为负值,反应是自发进行的放热反应,较低温度有利于反应进行；而Cd2+在铁锰复合氧化物上的吸附量随着温度的升高而增加,在298.2、308.2K温度下Cd2+标准自由能变ΔGmθ为负值、焓变ΔHθ、熵变ΔSθ均为正值,反应是自发进行的吸热反应,温度升高有利于反应的进行。铁锰复合氧化物对铅离子、镉离子的吸附量、吸附热力学方面存在一定的差异。究其原因,一是Pb2+Cd2+的水解能力不同,铅离子的水解能力更强一些,在实验条件下更容易形成多羟基配离子而与吸附剂发生配位吸附；二是Pb2+、Cd2+的电子层结构的不同,Pb2+外层有6层电子层,而Cd2+外层只有4层电子层,Pb2+受吸附剂影响而产生的变形性大于Cd2+,因而铁锰复合氧化物对铅离子的吸附量、吸附力、焓变绝对值大于镉离子。等温吸附／解吸动力学试验表明,铁锰复合氧化物吸附Pb2+、Cd2+的速度较快,在最初的60min内吸附量可达到最终平衡吸附量的90%左右。与吸附过程相比,Pb2+、Cd2+的解吸过程有滞后现象出现,达到解吸平衡的速度较慢,Pb2+在最初的120min内方可达到最大解吸量的90%左右,Cd2+在最初的480min内方可达到。铁锰复合氧化物吸附Pb2+、Cd2+的动力学过程以Lagergren二级动力学方程拟合效果最优。Pb2+、的Lagergren吸附常数K随着不同初始浓度增加而增大。随着Pb2+的初始浓度从0.2 mmol.L-1增加到0.4 mmol.L-1, Lagergren二级动力学模型的吸附常数K从0.0106g.mg-1.min-1增加到0.0192 g.mg-1.min-1;随着Cd2+的初始浓度从0.2 mmol.L-1增加到0.8 mmol.L-1, Lagergren二级动力学模型的吸附常数K从0.0110g.mg-1.min-1增加到0.0258g.mg-1.min-1。说明离子初始浓度的增加促进了吸附量的增加。竞争离子的存在影响Pb2+、Cd2+在铁锰复合氧化物上的吸附。研究结果表明,无论是固定体系中Cd2+浓度,改变竞争离子Pb2+的初始浓度,还是固定体系中Pb2+浓度,改变竞争离子Cd2+的初始浓度,竞争体系中铁锰复合氧化物对Pb2+、Cd2+两离子中任一金属离子的吸附量均低于单一离子体系（非竞争体系）的吸附量。这说明当有竞争离子存在时,铁锰复合氧化物的吸附点位有一部分被竞争离子占据,使得吸附离子的吸附量要比单独存在时小。在相同pH和温度下,Pb2+、Cd2+在单一体系中的最大吸附量分别分476.19mg.g-1、119.05 mg.g-1,当Cd2+与Pb2+并存时,Pb2+最大吸附量降低为256.41 mg.g-1, Cd2+最大吸附量降低为74.07mg.g-1。铁锰复合氧化物倾向于先吸附Pb2+,就竞争吸附能力而言,Pb2+>Cd2+。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 土壤中重金属污染的来源
• 1.1.1 随"三废"排放进入土壤环境
• 1.1.2 随污水灌溉进入土壤环境
• 1.1.3 随农用物资的施用进入土壤环境
• 1.2 重金属的污染现状及其危害
• 1.2.1 铅的污染现状
• 1.2.2 铅污染的危害
• 1.2.3 镉的污染现状
• 1.2.4 镉污染的危害
• 1.3 土壤中铅、镉存在形态及迁移转化
• 1.3.1 土壤中铅、镉存在形态
• 1.3.2 土壤中铅、镉的迁移转化
• 1.4 土壤中的锰氧化物和铁氧化物
• 1.4.1 土壤中的铁氧化物和锰氧化物对重金属的吸附
• 1.4.2 铁氧化物和锰氧化物对重金属的吸附机理
• 1.5 本文研究意义
• 第2章 引言
• 第3章 材料与方法
• 3.1 供试材料
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 主要仪器及设备
• 3.1.3 铁锰复合氧化物的制备
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 铁锰复合氧化物对铅的等温吸附/解吸试验
• 3.2.2 铁锰复合氧化物对重金属铅的吸附/解吸动力学试验
• 3.2.3 铁锰复合氧化物对镉的等温吸附/解吸实验
• 3.2.4 铁锰复合氧化物对重金属镉的吸附/解吸动力学试验
• 3.2.5 铅和镉在铁锰复合氧化物上的竞争吸附
• 3.3 数据分析方法
• 第4章 结果与讨论
• 4.1 铁锰复合氧化物对铅的吸附/解吸特征
• 4.1.1 铁锰复合氧化物对铅的等温吸附/解吸
• 2+的动力学特征'>4.1.2 铁锰复合氧化物吸附Pb²⁺的动力学特征
• 4.2 铁锰复合氧化物对镉的吸附/解吸特征
• 4.2.1 铁锰复合氧化物对镉的等温吸附/解吸
• 2+的动力学特征'>4.2.2 铁锰复合氧化物吸附Cd²⁺的动力学特征
• 2+和Cd²⁺竞争吸附'>4.3 Pb²⁺和Cd²⁺竞争吸附
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间所发表的文章