膠體作用下Zn-Cd在不同質地土壤中的運移實驗及其數值模擬.pdf

1、土壤的重金屬污染越來越受到人們的關注，重金屬能通過多種途徑進入土壤，并不斷積累，由于土壤對重金屬離子的強吸附性，傳統(tǒng)上把土壤中的重金屬看作是不動的。但是在環(huán)境條件變化時，土壤中富集的重會屬離子會釋放到土壤溶液中，并隨之運移到地下水中，對地下環(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、解吸和遷移轉化規(guī)律及膠體對其運移的影響，對防治環(huán)境污染和

2、修復已污染土壤具有重要的理論意義。定量預測膠體在污染物運移中的作用，可以比較準確地掌控污染的趨勢，以便做出更加有效的防治措施。本文以較為常見的鋅、鎘兩種重金屬和Si02膠體以及取自遼寧沈陽地區(qū)的砂壤土、粉壤土和壤砂土作為研究對象，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地土壤中的吸附、競爭吸附規(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地土壤中

3、的遷移、競爭遷移規(guī)律，并應用美國鹽土實驗室開發(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)，獲得運移參數，進而運用這些模型參數對重金屬及膠體在土壤中的遷移行為進行了預測。得出以下結論：
　　 1)靜態(tài)等溫吸附實驗中，無論膠體存在與否，隨著平衡液中Zn、Cd濃度的增加，土壤對Zn、Cd的吸附量逐漸增大；三種質地土壤對Zn、Cd吸附量順序均為砂壤土>粉壤土>壤砂

4、土；Zn2+、Cd2+共存時，土壤對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Zn的吸附，促進了土壤對Cd的吸附；就本實驗來講，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平緩且有“拖尾”現(xiàn)象。這表明存在一個持續(xù)緩慢的解吸過程，同時也說明離子在遷移過程中存在著速率限制的吸附解吸的化學非平衡現(xiàn)象。Zn、Cd

5、在三種不同質地土壤中運移時，在壤砂土中運移得最快，砂壤土中運移得最慢。這是因為砂壤土pH、有機質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的變化在開始都是下降的（<1 PV(孔隙體積)時），之后上升最后趨于平緩。相同孔隙體積時，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了Zn的遷移，這是因為膠體比土壤表面對Zn顯示出更高的親和性，從而減少了土壤對Zn的吸附；而Cd的遷移受到一定程

6、度的抑制，穿透曲線拐點出現(xiàn)時間延后，相對濃度峰值變小。這是因為Cd2+影響了膠體的穩(wěn)定性，部分膠體及其吸附的Cd從流動相中分離出來聚沉于土壤表面，從而使得Cd出流量減少。在三種土壤中，加膠體時Zn出流液pH高于不加膠體的；加膠體時Cd出流液的pH低于不加膠體的。
　　 4)在三種不同質地土壤的淋濾實驗中，對比單一重金屬離子的出流特點發(fā)現(xiàn)，不加膠體時Cd的相對濃度峰值高于Zn的；加膠體時Zn的相對濃度峰值高于Cd的。這主要是由膠體

7、吸附Zn，Cd的能力不同以及Zn、Cd對膠體的穩(wěn)定性作用不同引起的。在競爭實驗中，無論膠體存在與否，Zn、Cd開始出流的時間比非競爭時的提前，峰值也要高。這是因為二者共存時相互競爭結合點位使吸附受到彼此的牽制。其中競爭時Cd的出流量較Zn少，Cd的競爭吸附能力大于Zn，這與其本身的性質有關。不加膠體時，單一Cd出流液pH高于單一Zn的；加膠體時，單一Zn出流液pH高于單一Cd的；無論膠體存在與否，競爭遷移出流液pH都最低。
　　

8、 5)不同重金屬對膠體運移的影響有較大差異，Zn單獨存在的溶液中膠體運移最快，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，不同陽離子由于聚沉能力的差異對膠體的穩(wěn)定性影響不同。土壤質地不同對膠體的出流量的影響結果是，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)吸附的數據用Langmu

9、ir、Freundlich方程求得阻滯因子Rd(retardationfactor)用于擬合Zn、Cd的過程中，發(fā)現(xiàn)除壤砂土不加膠體時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。這可能是因為：①各個吸附位點的能量不完全相同；②有可能存在吸附質在表面的反應。而Freundlich考慮了不均勻表面的情況，尤其是在適中濃度時，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可忽略物理非平衡的影響。由非平衡兩點模型(Two-site Model，TSM)對Zn、Cd及膠體的遷移行為進行模擬可以看出，擬合BTCs的r2>0.801，MSE