三峡库区消落带沉积物的Cd2+吸附特征及对水体污染潜在危害研究

摘要

三峡库区消落带是一个多元的复杂的系统，它处于水陆间的过渡性连接地带，同时具有水、陆两种区域的结构、功能和独特的环境景观特点。但由于自然和人为原因，库区消落带生态系统又呈现出较强的生态脆弱性和不稳定性。水库消落带由于其具有水位周期性涨落的特性，使得消落带沉积物具有一般河床沉积物的特点的同时又与其有所区别--在淹水时期，发生在消落带上的沉积，也可视为河床沉积的一部分；在落干时，由于受到人为的扰动，其他外源物质的进入，再加上水库水位的季节变化与天然河床水位的季节变化相反，使得消落带沉积物的性质，特别是对重金属的吸持性能可能会不同于传统意义的河床沉积物。本文在调查分析小江流域消落带土壤的pH以及Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni等6种重金属的含量及其空间分布特征基础上，模拟分析了消落带沉积物对重金属镉离子的吸附特性。结果如下：
　　 研究区土壤重金属的平均含量为：Cd0.387mg/kg；Cr57.196mg/kg；Cu28.685mg/kg；Ni27.910 mg/kg；Pd35.567 mg/kg；Zn126.028 mg/kg。运用单因子分析法对Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn六种重金属元素的平均污染指数作出评价，土壤样品Cd、Zn、Pb污染指数分别为1.935、1.26和1.016，Cu、Cr、Ni处于清洁的状态，污染指数分别为0.82、0.636、0.698.
　　 对镉吸附的模拟分析表明：
　　 三峡库区消落带沉积物对重金属的吸附与沉积物的粒径密切相关，吸附强度和吸附速率都随粒径的增大而减小，镉离子的吸附动力学实验表明，吸附过程经历了快速增长、渐变和动态平衡三个阶段，吸附的动力学特征符合Lagergren准一级动力学方程式。而准二级动力学方程对其不适用。
　　 通过研究温度对消落带沉积物吸附镉离子的影响发现，该吸附过程是一个吸热反应，吸附动力学曲线随温度的上升而上升，在实验条件下，吸附过程既包括了分子吸附，又有离子交换吸附，且以离子交换吸附为主。反应的热力学参数表明，消落带沉积物对镉离子的吸附过程是一个自发的吸热反应，且随着温度的升高，镉离子在固-液界面上的自由度越大。这预示着冬季淹水条件下，温度较低的水体环境有利于镉离子在沉积物与水体之间的解吸过程，使得吸附在沉积物上的镉离子又重新进入水体中，随着水体迁移，从而成为二次污染源。
　　 对吸附等温线进行拟合的结果表明，消落带沉积物对镉离子的吸附等温线同时符合Langmuir和Freundlich模型，且Freundlich模型的决定系数更高，说明后者更能够准确地描述沉积物对镉离子的等温吸附反应。模型参数表明消落带沉积物对镉离子的吸持能力很强。
　　 在温度、pH等条件都不变的情况下，通过改变沉积物的初始浓度实验发现，消落带沉积物对镉离子的吸附呈现出颗粒效应(固体浓度效应)。吸附密度随沉积物初始浓度的增加而减小。对亚稳平衡理论加以补充后，可以较好地从理论上半经验性地定量的解释这一现象。