随着经济的快速发展,环境污染问题也越来越严重,威胁到人们的生命健康,其中重金属污染问题尤为严重。工业农业生产中都会产生大量重金属,而它们排入土壤和水体后会造成严重的污染。环境中重金属污染主要包括铅、铜、镍、铬、砷、镉等。水铁矿是一种铁的氢氧化物,广泛分布于土壤中,其比表面积大且表面活性强,对环境中的重金属吸附能力较强,能够很好地制约重金属在环境中的迁移转化。所以理解土壤中重金属离子与水铁矿的络合反应对预测重金属在土壤环境中的动力学行为至关重要。本研究主要探究水铁矿在不同反应条件下对典型重金属离子Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)、Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的吸附/解吸动力学行为,并建立一个基于CD-MUSIC的统一机理性模型,同时探索凝胶状水铁矿和密实水铁矿分别对金属离子的络合行为的特点。在本研究中,Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)、Cd(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)在水铁矿上的吸附解吸动力学实验利用搅拌流动方法完成,并利用高分辨率扫描透射电镜技术(STEM/EDS)探究水铁矿形貌及重金属离子在水铁矿上的分布特征,通过一系列平衡吸附实验来完善校正CD-MUSIC平衡模型,为动力学模型的发展提供理论基础。搅拌流动实验结果表明水铁矿对重金属离子的吸附解吸行为高度依赖于反应pH值、重金属离子初始浓度、水铁矿浓度以及重金属离子种类。STEM/EDS实验结果表明水铁矿团聚体是一种结构疏松多孔,类似云雾状的无定型物质,凝胶状水铁矿样品经过一段时间的吸附作用,重金属离子均快速络合于水铁矿团聚体微孔边缘且分布均匀,这是由于凝胶状水铁矿样品的团聚结构较松散,而相较于凝胶状水铁矿,密实水铁矿样品厚度较大并且小颗粒之间结合较紧密,由于凝胶状水铁矿经过冷冻干燥后得到的密实水铁矿的颗粒间隙水和空隙量的减少,其张开结构不可逆地坍塌,从而导致与重金属的络合时水铁矿颗粒的比表面积、有效络合点位量相对较少。平衡吸附实验结果表明CD-MUSIC能够很好地拟合在不同反应条件下重金属离子在凝胶状水铁矿上的吸附曲线,而调整水铁矿浓度后的CD-MUSIC模型也能很好地解释不同反应条件下重金属离子在密实水铁矿上的吸附曲线,这为动力学模型的发展提供了坚实的理论基础。密实水铁矿对重金属离子Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的络合行为的研究发现,在相同的实验条件下密实水铁矿的吸附能力及吸附速率远远小于凝胶状水铁矿,这是由于密实水铁矿由于冷冻干燥导致其聚合结构紧密,表面积和有效络合点位减少,结果导致吸附离子仅能吸附在一小部分点位上而不能在短时间内接触到密实水铁矿大量的络合点位,而本研究通过平衡吸附实验或动力学模型的初步调试,对CD-MUSIC和动力学模型中水铁矿的浓度进行调整,使得动力学模型计算结果能够解释密实水铁矿对重金属离子Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的吸附解吸动力学实验曲线。基于实验结果,本研究发展了一个统一的基于平衡模型CD-MUSIC的阴离子/阳离子在水铁矿上的吸附/解吸的机理性动力学模型,此模型能够很好的描述凝胶状水铁矿和密实水铁矿的动力学实验结果。动力学模型考虑重金属离子与水铁矿络合时,不同水铁矿点位在其中起到的作用,并通过建立两个关系:重金属离子与水铁矿络合时不同络合点位的吸附解吸速率系数和CD-MUSIC预测的平衡分布系数的关系;CD-MUSIC模型中的金属离子与水铁矿之间的表面络合常数与解吸速率系数的关系,把重金属离子与水铁矿各点位络合反应的平衡特性结合到动力学反应中发展动力学模型,并通过模型优化得到了动力学模型的吸附解吸速率系数。动力学模型的建立将有利于预测环境中的水铁矿对重金属的动力学行为的影响,对重金属污染环境修复及风险评价有重要意义。