赤铁矿/水界面Pb和Cd竞争吸附及CD-MUSIC模型模拟

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近年来,土壤重金属污染日益严重,引起学者广泛关注。Pb、Cd作为毒性极强的重金属,在土壤中往往伴生存在,形成复合污染,对动、植物和人类生存环境造成严重危害。赤铁矿是土壤中最稳定的铁氧化物,能大量吸附Pb、Cd等重金属,且影响着重金属在土壤中的迁移、转化和生物有效性。目前,有关氧化铁表面单一的Pb、Cd吸附行为和吸附机制的研究较为成熟,但对氧化铁的Pb/Cd竞争吸附行为和机制尚不明确。电荷分布-多位点络合模型(ChargeDistributionandMultisiteSurfaceComplexation,CD-MUSIC)是最具有代表性的表面络合模型(SurfaceComplexationModel,SCM),广泛用于定量描述针铁矿表面H+、金属离子等的吸附行为,分析吸附形态和探究吸附机制。但较少用于赤铁矿与重金属相互作用的研究。因此,本文以赤铁矿为研究对象,以电位酸碱滴定和吸附实验为基础,明确Pb/Cd交互作用对赤铁矿表面Pb/Cd竞争吸附的影响,构建赤铁矿Pb、Cd吸附的CD-MUSIC模型,分析Pb、Cd形态分布特征,进一步拓展CD-MUSIC模型的应用范围。取得的主要结果如下:  1)赤铁矿表面电荷量随离子强度增大而减少,当pHPZC时,表面位点去质子化,赤铁矿表面带负电。CD-MUSIC模型能较好拟合赤铁pH-电荷曲线。模型优化的Stern层电容(CT)为0.78F/m2,离子对亲和常数logK(K+)和logK(NO3-)分别为-1.61和-1.50。  2)赤铁矿Pb、Cd吸附量均随pH升高、金属离子浓度增大而增大。pH4.0、5.0、6.0时,赤铁矿表面Pb的饱和吸附量分别为20.2、39.4和129.6mmol/kg,赤铁矿Cd的饱和吸附量均约为0.5mmol/kg。Pb、Cd同时存在时,赤铁矿表面位点优先吸附Pb;先Pb后Cd时,Cd不能置换已吸附在赤铁矿表面的Pb;先Cd后Pb时,Pb能置换已吸附在赤铁矿表面的Cd。因此,Cd不影响赤铁矿Pb吸附,Pb抑制赤铁矿Cd吸附。Pb、Cd添加顺序不影响赤铁矿对Pb、Cd的吸附。  3)CD-MUSIC模型能较好拟合单体系Pb、Cd吸附,准确预测竞争体系Pb吸附行为,对竞争体系Cd吸附预测偏低。单体系和竞争体系中,Pb主要以(FeOH)2Pb(Fe3O)和(FeOH)2PbOH(Fe3O)两种形态吸附在赤铁矿表面,亲和常数(logKPb)分别:11.2、17.0。Cd主要以(FeOH)2Cd和(FeOH)2CdOH两种形态吸附在赤铁矿表面,亲和常数(logKCd)分别为:6.1、11.0。Cd不影响Pb在赤铁矿表面的形态分布,Pb使(FeOH)2Cd含量增加,(FeOH)2CdOH减小,Pb浓度越大,该现象越明显。
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