论文部分内容阅读
土壤是人类赖以生存的物质基础,承载着重要的生命过程和反应。而随着经济及工业的快速发展,土壤重金属污染已成为全球性环境问题,为保证人类健康、实现可持续发展,土壤重金属污染控制和治理迫在眉睫。土壤有机质（Soil organic matter,SOM）、金属氧化物、粘土等是重要的土壤组分及重金属吸附剂。土壤组分吸附重金属主要是由重金属与土壤组分上的反应点位发生络合作用而引起的,由于点位的非均质性,重金属与不同土壤点位的反应速率存在显著差异,这会显著影响土壤中重金属的存在形态及其迁移转化规律。因此评价土壤中重金属的活性及其生物可利用性,需要考虑重金属与土壤多组分及多反应点位上的化学反应。而土壤中常见的化学反应过程包括吸附、解吸、沉淀、溶解等,这些反应在不同时间尺度下控制着重金属形态动态变化。本论文首先以搅拌流动反应器（Stirred-flow reactor）动力学实验为基础,探究多种土壤在不同反应条件下对典型重金属Cd,Cu,Ni,Pb,Zn的吸附解吸动力学行为,基于机理性的化学形态平衡模型Windermere Humic Aqueous Model,version 7（WHAM 7）和Charge Distribution and Multisite Surface Complexation Model（CD-MUSIC）建立了土壤重金属动力学反应模型。模型建立了热力学平衡参数与动力学反应速率间的关系:（1）对于特定反应点位i,建立重金属吸附速率系数(Adsorption rate coefficients,kai)、解吸速率系数(Desorption rate coefficients,kdi)与重金属在该点位上平衡分配系数(Equilibrium partition coefficients,Kpi)间的关系;（2）对于同一土壤组分不同点位,建立了不同点位上重金属解吸速率系数与对应点位重金属络合常数(Metal binding constant,KMi)间的关系。在重金属吸附解吸动力学模型理论基础上,本论文进一步以Zn的批量动力学实验结果和同步辐射光谱技术结果为基础,探究了土壤中Zn不同化学形态和不同反应过程在Zn释放动力学过程中的作用,建立了Zn的多反应过程、多点位动力学模型。本研究发展起来的土壤重金属吸附解吸动力学模型具有通用性,能具体考虑不同土壤组成和土壤化学反应条件的变化对重金属动力学行为的影响,并能具体考虑不同土壤组分和反应点位在不同时间尺度下对重金属动力学反应的影响。此外,本研究建立的动力学模型能定量描述重金属微观反应机理、分析反应过程中重金属形态变化以及其在不同土壤组分和反应位点上的分布情况,能帮助理解不同土壤组分及反应位点在重金属形态变化过程中的作用,对分析实际土壤中重金属行为、归趋及重金属风险评价具有指导性意义。结合现场土壤性质及反应过程,该框架可以拓展并应用到更复杂的现场情况下。