三种代表性土壤对多氯联苯的吸附机理比较研究

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本文综述了中国土壤多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls, PCBs)污染现状和分布规律,选取中国西部黄土、中国东部青紫泥和水稻土三种理化性质不同的土壤作为地质吸附剂(geosorbents)开展吸附机理研究,从吸附动力学和热力学的角度,比较三种不同类型的土壤对PCBs的吸附特征和吸附机理,探讨其结构特征与其对PCBs吸附能力之间的关系,得到以下研究结论。(1)青紫泥和水稻土对PCBs吸附量大,可作为PCBs良好地质吸附剂,而黄土对PCBs的吸附量较小。通过土壤静态序批吸附实验,在常温24 h条件下,黄土、青紫泥和水稻土对Aroclor1260中10种PCBs的吸附基本达到表观平衡状态。本文研究的三种土壤对PCBs的吸附能力顺序为:青紫泥>水稻土>黄土,与三种土壤有机质含量多少相一致。青紫泥、水稻土和黄土对PCBs的吸附量分别为1.46×10-1-9.08μg/g,1.37×10-1-7.89μg/g和6.29×10-3-4.424×10-1μg/g,青紫泥和水稻土的吸附能力分别是黄土的17.64-24.00倍和15.24-21.76倍。青紫泥和水稻土是PCBs良好的地质吸附剂;而黄土吸附能力小,可作为PCBs污染区土壤(青紫泥和水稻土)的覆盖材料。(2)PCBs在三种土壤中的吸附均符合准二级反应动力学模型,膜扩散和颗粒内扩散是其吸附过程中的控速步骤。通过动力学实验和模型拟合,比较三种动力学方程(准一级反应动力学方程、准二级反应动力学方程和Elovich方程)对土壤吸附Aroclor1260中10种目标PCBs数据的拟合结果发现,准二级反应动力学方程拟合时的相关系数最高,R2≥0.953;且由该方程计算出来的平衡吸附量qe,cal与实验值qe,exp相吻合,认为PCBs在黄土、青紫泥和水稻土中的吸附动力学均符合准二级反应动力学模型。黄土、青紫泥和水稻土对PCBs的吸附均表现出“两阶段”特性,初始的快吸附和随后的慢吸附阶段,这主要是由吸附位点的数量及吸附位点的强弱决定的。颗粒内扩散和膜扩散是土壤吸附PCBs过程中的控速步骤,共同决定了三种土壤地质吸附剂对PCBs的吸附速率。(3)在实验条件下,黄土对PCBs的吸附呈线性,青紫泥和水稻土则呈现非线性,温度对三种土壤吸附量存正负影响。应用线性等温方程、Langmuir等温方程和Freundlich等温方程对吸附数据拟合的结果表明,当Aroclor1260的浓度为0.10-0.80 mg/L时,黄土对其中10种目标PCBs的吸附不能用Langmiur方程和Freundlich方程描述,但符合线性吸附等温方程(R2>0.96);而青紫泥和水稻土对PCBs的吸附则表现出明显的非线性吸附特征,且对于每一种目标多氯联苯而言,其在水稻土中吸附的非线性更大,这两种土壤对PCBs的吸附数据用Freundlich模型拟合程度最好(R2≥0.92),这可能和土壤中两相态(无定形态相和浓缩态相)有机质的相对含量相关。同时,通过对△G0、△H0和△S0等热力学参数的比较分析发现,PCBs在三种土壤中的吸附均为自发过程(△G0<0),室温条件下(22℃),PCBs在三种土壤中吸附的驱动力大小为:青紫泥>水稻土>黄土。在所研究的温度范围(22-46℃)内,随着温度的升高,青紫泥和水稻土对PCBs的吸附量略有下降,而黄土对PCBs的吸附量反而增大,常温条件下黄土作为PCBs土壤(青紫泥和水稻土)覆盖层的效果最好。热力学参数△H0进一步证明,黄土吸附PCBs是一个吸热过程(△H0>0),而青紫泥和水稻土吸附PCBs则是放热过程(△H0<0)。黄土吸附PCBs过程中将增加系统的无序性(△S0>0),但青紫泥和水稻土吸附PCBs过程中固液界面的混乱度降低(△S0<0),与熵变相关的作用力控制了它们对PCBs的吸附,其中疏水效应(hydrophobic effect)是青紫泥和水稻土吸附PCBs的主要驱动力。
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