腐殖酸对针铁矿吸附磷的影响机理研究

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地表环境中磷的迁移转化、生物有效性主要取决于沉积物、土壤及水体中磷的吸附、解吸等物理化学平衡过程,特别是铁结合态磷是各形态无机磷中重要的组成部分,受外界条件变化较为活跃,具有较大的潜在释放风险。腐殖酸(HA)作为天然有机质的重要组成部分和地表环境中广泛存在的铁氧化物-针铁矿往往同时存在并相互作用,这种相互作用能够影响矿物的表面电荷、胶体稳定性和吸附能力等,进而影响与矿物相互作用的营养盐和污染物的迁移转化及生物有效性。因此本研究通过不同影响因素(磷浓度、pH、离子强度、添加顺序等)和添加不同来源HA对针铁矿吸附磷的影响,并结合相关表征研究了腐殖酸对针铁矿吸附磷的影响及机制这一重要的地球化学过程,从而为更好的理解土壤中磷的利用及地表水体中内源磷的迁移转化和湖泊富营养化等问题提供重要的科学依据。论文获得如下结论:(1)针铁矿对磷的吸附等温线符合Langmuir吸附等温方程,pH=4.5时针铁矿对磷的最大吸附量为4737mg/kg,pH=7时最大吸附量为4113mg/kg。针铁矿在pH=7条件下吸附量低于pH=4.5条件下吸附量,最大吸附量较pH=4.5条件下的最大吸附量降低了13.2%。针铁矿对磷的吸附量随着pH的升高而降低,随着离子强度的增高而增大。(2)在针铁矿吸附磷体系中添加sigma HA(购买自sigma公司)和添加土壤HA(实验室提取于土壤)均明显降低了针铁矿对磷的吸附量。sigma HA的实验组:(a).pH=4.5时加入100mg/L HA,40mg/L HA与没有添加HA时最大吸附量降低了26.6%、25.6%。(b).pH=7时加入100mg/L HA,40mg/L HA与没有添加HA时最大吸附量降低了26.8%、23.1%。土壤HA的实验组:(a).pH=4.5时加入100mg/L HA,40mg/L HA与没有添加HA时最大吸附量降低了31.8%、30.8%。(b).pH=7时加入100mg/L HA、40mg/L HA与没有添加HA时最大吸附量降低了27.1%、25.3%。同时HA和磷的不同添加顺序实验表明针铁矿对磷的吸附量大小顺序均为:未添加HA>后添加HA>同时添加HA和磷>先添加HA。添加HA后各条件下的吸附等温线也均更符合Langmuir吸附等温方程。针铁矿对磷的吸附量随着体系pH的升高逐渐降低,离子强度的增高而增大。总有机碳和红外光谱特征表明HA和磷在针铁矿表面吸附点位形成竞争吸附,且针铁矿表面的羟基在吸附磷和HA的过程中起了-定的作用。(3)不同来源不同性质HA对针铁矿吸附磷的影响具有一定的差异性,表现为土壤HA对针铁矿的磷吸附量的抑制作用强于Sigma HA的抑制作用。不同来源HA在分子量、元素组成、元素比、羟基、羧基等官能团以及芳香度和脂肪度上等不同性质的差异可能导致抑制作用的不同。总有机碳分析认为土壤HA在针铁矿表面的吸附作用大于Sigma HA。元素分析、紫外可见光谱、三维荧光光谱、红外光潜、核磁共振光谱特征表明:与Sigma HA相比,土壤HA在分子量、极性、腐殖化程度、脂肪碳、脂族连氧含量、羟基及羧基碳含量相对较大,具有较多的含氧官能团,芳香碳含量较低可能是其对针铁矿吸附磷的抑制作用强于Sigma HA的抑制作用的主要原因。
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