层状双氢氧化物(LDH)对土壤磷迁移的影响机理研究

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磷污染对自然环境和人类健康构成的威胁日益严重,环境中高浓度的磷积累所引发的水体富营养化和面源污染等问题已经引起了人们极大的关注。因此,研究磷在土壤中的吸附、解吸和迁移转化规律及其作用机制,对土壤磷流失问题的解决具有重要意义。层状双氢氧化物(Layered Double Hydroxides,LDH)具备优良的吸附性能,已被广泛运用于水中磷的去除。本文以LDH和磷为研究对象、土壤为研究载体,评价了LDH对土壤中对磷的吸附影响及迁移机制,为土壤磷流失控制和缓释潜力提供科学论证。研究选取沐阳砂土为土壤介质,利用室内土柱淋溶实验,开展土壤介质中磷的迁移及与LDH的相互作用机制研究,明确不同淋溶条件(如离子强度和离子类型等)和不同背景体系(淋溶流速、土壤理化性质改变、碳酸盐交换等)下,在添加了LDH的土壤中磷的吸附与解吸、迁移与再迁移的机理。主要研究结果如下:(1)随着土壤中LDH添加量(质量分数0%、1%、2%)的逐渐提高,磷在土壤中的穿透曲线明显出现了滞后现象,截流曲线中磷的滞留量相应地得到提升;由于LDH结构的特殊性,为磷在土壤中的迁移提供了更多的吸附位点,通过静电吸引、离子交换、表面络合等多种作用力,降低了磷在土壤中的迁移能力,实现了对磷的迁移固化。(2)在土壤是否添加LDH的条件下,背景溶液中通入的Ca2+相比K+对土壤中磷的吸附量均高出3.9%12.2%。Ca2+可以与磷酸盐反应,生成亚稳态的矿物质,降低了土壤中磷的出流率;同时Ca2+通过局部阳离子接桥作用增强了对土壤及LDH的吸附力,从而提高了对磷的吸附量。在升高K+强度由1 M至20 M的过程中,穿透曲线出现了先滞后的趋势,说明离子价位及离子强度的高低影响磷的迁移;K+强度在一定范围内对磷的吸附具有促进作用,之后因静电斥力降低了对磷的吸附效果,穿透曲线清晰地反映了这一现象。(3)在不同淋溶流速(5 rpm、9 rpm)条件下,添加质量分数0.5%的LDH于土壤中,结果发现流速越小穿透曲线越滞后,截留曲线中的磷含量越高;在磷总量相同的条件下,由于淋溶时间的缩短而减少了磷在土柱中的穿透时间,降低了磷在土壤及LDH上的吸附效率,表明流速越高,磷的滞留量越少。(4)添加质量分数为0.5%的LDH于土壤中,背景溶液pH值分别调整为5、7和8。结果表明,pH值越低介质中的正电荷越多,磷酸根的质子化反应越被促进,因此降低了LDH表面与磷酸根之间的吸引力,进而降低了磷的滞留率;反之,pH值越高则存在更多的负电荷,促进磷酸根发生电性中和反应,增强其与LDH之间的吸引力,进而提高磷的滞留率,出现pH值越高穿透曲线越滞后的现象。(5)通过上述淋溶实验实现了LDH固定磷在土壤中的目标,之后通入相同离子强度的碳酸盐和碳酸氢盐将LDH固定的磷再释放,并明确了其对磷的缓释状况;另外,模拟真实土壤环境下,间隔3天研究磷与碳酸盐充分接触后的再释放情况,均出现了良好的释放效果,并确定了碳酸盐及碳酸氢盐以离子交换的方式,实现了对磷的缓释,且碳酸盐比碳酸氢盐缓释效果更好。
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