底泥沉积物和消落带土壤对重金属的吸附性能及其机制研究

摘要

随着工业、制造业、农业等的发展，在冶金、化工、造纸、农药、化肥等生产过程中会伴随产生大规模的高浓度含重金属污染废水，只有少部分有处理能力的工厂会将废水处理后排放。大多数未经处理过的含重金属废水将自然水体作为的主要受纳对象，因此自然水体受到了很大的生态和环境冲击和破坏，近十年来，河流水体重金属污染事件不断增加。研究表明进入水体后的重金属污染物会随水力运动和物理化学作用迅速沉淀和积累在河流底泥沉积物和消落带土壤中。沉积物和岸边消落带作为重金属的主要受纳场所，其含量往往超过水体中重金属含几个数量级，因此研究重金属在底泥沉积物和消落带土壤中的赋存形式，存在环境以及吸附机理显得十分重要。
　　本研究以三峡库区重庆主城段一次级支流—御临河底泥沉积物和消落带土壤为研究对象，分析该条河流底泥沉积物和消落带土壤中元素组成成份，背景重金属含量，并选择Ni、Hg、As三种重金属作为代表性重金属进行吸附动力学和热力学试验，从吸附平衡时间、平衡吸附量、吸附动力学方程等方面分析吸附进行的过程，再从吸附等温曲线、吸附热力学以及底泥沉积物和消落带土壤对重金属吸附后的表征试验进一步探究重金属的吸附机理。
　　从对本次研究的库区次级支流底泥沉积物和消落带土壤背景元素分析得到，底泥沉积物和消落带土壤中的主要元素为O、Si、C、Al。从傅立叶变换红外光谱分析可以看出，底泥沉积物和消落带土壤具有相似的化学官能团。由于该条河流自然环境保护较好，周围并无大型工况企业，根据底泥沉积物和消落带土壤背景重金属浓度检测试验结果结合《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，并未发现超标重金属，重金属含量属于自然背景值。
　　通过三种重金属的吸附动力学试验得出，底泥沉积物和消落带土壤对Ni的吸附性能最好，其次是Hg，底泥沉积物和消落带土壤对 As几乎不吸附。吸附平衡时，用准二级吸附动力学拟合得出底泥沉积物和消落带土壤对Ni的平均吸附量为2.922mg/g，Hg的平均吸附量为1.768mg/g。通过吸附动力学曲线可以得出，在吸附进行约40min左右，底泥沉积物和消落带土壤对重金属的吸附量已经趋于饱和，在吸附进行4h后，结束吸附，达到吸附饱和，吸附量几乎不再增加。用常见的动力学吸附模型对底泥沉积物和消落带土壤吸附重金属进行动力学拟合，综合对比各吸附动力学模型拟合情况，Elovich模型相关系数最高，最适合描述底泥沉积物和消落带土壤对Ni和Hg的吸附过程，其次是准二级吸附动力学模型、一级动力学模型，内扩散模型拟合相关系数最差。
　　在吸附热力学试验研究后发现，底泥沉积物和消落带土壤对Ni的吸附是吸热过程，温度升高有利于对 Ni的吸附，温度从15℃升高到25℃对吸附量的增加值大于温度从25℃升高到35℃的吸附量，Freundlich吸附等温方程比Langmuir吸附等温方程能更好的描述底泥沉积物和消落带土壤对Ni的吸附过程。底泥沉积物和消落带土壤对Hg的吸附是放热过程，温度降低有利于对Hg的吸附，温度从35℃降低到15℃对吸附量的有所增加，Langmuir吸附等温方程比Freundlich吸附等温方程能更好的描述泥沉积物和消落带土壤对Hg的吸附过程。
　　对比底泥沉积物和消落带土壤吸附重金属前后傅里叶红外光谱变化看出，吸附重金属后底泥沉积物和消落带土壤中的羧酸（-COOH）官能团吸收峰位置发生变化，可以推测当底泥和消落带土壤吸附Ni和Hg时，羧基官能团对吸附起到贡献作用的。进一步用 X射线光电子能谱探究重金属在底泥沉积物和消落带土壤中的成键形式，从XPS图谱上得出Ni主要是与底泥和消落带中的O结果形成Ni-O键，Hg也是形成 Hg-O，部分 As被底泥和消落带土壤中氧化性物质由+3氧化为+5价，XPS结论与红外光谱结论相一致。

目录

1 绪 论

1.1 国内外研究概况

1.2 研究区域概况

1.3 研究目的、内容及技术路线

2 样品采集处理与背景元素分析

2.1 现场调研与取样点位选取

2.2 样品采集与处理

2.3 底泥沉积物及消落带土壤背景重金属含量测定

2.4 目标重金属选定

3 消落带土壤及底泥沉积物对重金属的吸附动力学研究

3.1 试验材料及仪器

3.2 试验方法

3.3 试验结果与分析

4 消落带土壤及底泥沉积物对重金属的吸附热力学研究

4.1 试验材料与仪器

4.2 试验方法

4.3 试验结果与分析

5 吸附机理探究

5.1 傅里叶变换红外光谱

5.2 X射线光电子能谱

5.3 吸附机理分析

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间参加的相关科研项目