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有机污染物在土壤/沉积物上的吸附和解吸行为是影响它们在自然环境中迁移转化、归宿和生态效应的重要过程。土壤中吸附有机化合物的主要活性成分是土壤有机质与无机粘粒,因此研究土壤有机质和粘粒对有机污染物的吸附具有重要意义。
本文以多环芳烃菲作为目标污染物,对两种天然地质吸附剂--泥炭与褐煤进行了不同化学方法的处理,得到有机质性质不同的地质吸附剂,并且采用从泥炭和褐煤中提取的特征腐殖酸,制备了腐殖酸与无机粘土矿物的复合物,研究了菲在这些吸附剂上的吸附/解吸行为特征和差异性,并对主导吸附行为的微观机理进行探讨。
研究表明,菲在泥炭、褐煤及三种化学方法处理后的地质吸附剂上的吸附分为快吸附和慢吸附过程,对于褐煤及各处理吸附剂,其快吸附周期为5h,而对于泥炭及各处理吸附剂,其快吸附周期为20h。菲的吸附等温线都能较好地通过Freundlich方程拟合。泥炭及各处理吸附剂对菲的吸附能力排序为水解处理泥炭>泥炭>肟化处理泥炭>氧化处理泥炭;褐煤及各处理吸附剂对的吸附能力排序为肟化处理褐煤>水解处理褐煤>氧化处理褐煤>褐煤。各种化学处理对地质吸附剂中有机质对菲的吸附能力具有较一定影响。对泥炭来说,水解处理使其logKoc从4.00增大到4.08,吸附能力增强,氧化和肟化处理使其logKoc从4.00分别减小到3.95和3.92,吸附能力变弱。对褐煤来说,氧化、水解和肟化处理后logKoc都有不同程度的增大,从3.92增大到4.06、4.25和4.42,对菲的吸附能力都有所增大。元素分析和红外光谱分析结果表明,化学处理后表征地质吸附剂中有机质极性及芳香程度的参数均发生相应改变,这与与菲吸附的Koc变化具有一定的相关性。
菲在泥炭与褐煤上的一次解吸均可较快达到稳态,一次解吸百分率随着有机碳含量的增加而降低。连续解吸实验发现,菲在泥炭上的最大累积解吸率为46.33%;而在有机碳含量较高的褐煤上的最大累积解吸率为9.25%,并存在明显的解吸滞后现象。
通过将地质吸附剂中提取的腐殖酸与典型粘土矿物复合发现,泥炭与褐煤腐殖酸中的脂肪族成分比芳香族成分更倾向于吸附到粘土颗粒表面,与采用腐殖酸单体进行的菲吸附实验相比,菲在粘土表面吸附态腐殖酸上吸附的Koc值更大,这表明吸附态腐殖酸对菲具有更强的结合能力。pH及离子强度的影响实验也表明,溶液pH和离子强度可能通过影响吸附态腐殖酸的结构与构象,对菲在复合吸附剂上的吸附行为产生影响。
在连续解吸实验中,0.6mg/L的菲在高岭土上的最大累积解吸率为98.97%,滞后系数为0.454;1 mg/L的菲在高岭土上的最大累积解吸率为99.39%,滞后系数为0.486。可见菲的加入浓度是影响菲解吸的重要因素,菲的加入浓度越低,最大不可逆吸附量越大,解吸可逆程度越低,滞后现象越明显。