硅钾矿肥不溶残余物的土壤环境效应研究

摘要

硅钾矿肥是一种将钾长石加助剂通过矿物岩石的结构转化控制法，即加热，生产的矿物肥料。类似的产品有钙钾肥、硅钙镁钾肥、钾镁肥以及利用工业废物制作的钢渣硅肥、钙镁磷肥等。这些矿物肥料将有效组分释放后，还有约一半的物质(非有效组分)不能进入植物生态循环系统，其物理化学性质关乎矿肥长期施用对土壤环境的影响。本文以硅钾矿肥不溶残余物的矿物学性质为核心内容，首先系统阐述了硅钾矿肥的矿物特征，其次采用对比实验的方法研究了酸度、酸的种类、粒度、浸泡时间对模拟实验制备的不溶残余物矿物组合特征的影响，并结合化学成分分析、XRD、IR、ICP、SEM、TEM等分析手段系统的研究了不溶残余物物理化学性质，然后研究了不溶残余物对重金属离子的吸附热力学、吸附动力学，pH值条件对不溶残余物对重金属离子吸附性能的影响及不溶残余物对重金属离子的固定能力，最后结合XPS探讨了不溶残余物对重金属离子的吸附机理。 论文的主要研究成果如下： (1)通过对比实验发现，模拟实验方法制备不溶残余物过程中，pH值对不溶残余物的矿物组合影响较大，硅钾矿肥的粒度、浸泡时间对不溶残余物的矿物组合影响较小； (2)通过XRD、IR、ICP、SEM、TEM等分析手段研究发现，硅钾矿肥在盐酸或柠檬酸溶液(pH≈2)模拟植物根际土壤的酸性环境下，经24小时浸泡，不溶残余物中出现了水钙沸石、方沸石(含量约17％)和具有良好环境属性的矿物，如白榴石、蒙脱石、羟钙石、硬水铝石。硅钾矿肥不溶残余物不仅具有丰富的孔道结构和广阔的比表面积，还拥有大量的表面活性官能团，是一种具有具有良好地球化学活性的物质； (3)采用一级动力学方程和二级动力学方程模式描述不溶残余物对重金属离子的吸附过程，得出其模式参数的线形拟合结果表明，二级动力学方程模式的拟合优度大于一级动力力学方程模式； (4)根据不溶残余物对重金属离子的吸附动力学数据，求出不同吸附时间的平衡接近率E，由平衡接近率与无因次时间之间关系表查出不同吸附时间的无因次时间值，以各E所对应之t与无因次时间值作图可得一通过原点的直线，表明吸附过程由颗粒内扩散控制； (5)在不同的温度下，不溶残余物对 Cd<'2+>、Zn<'2+>、Cu<'2+>吸附过程的吉布斯自由能变化△G都是负值，且变化值随着温度的升高增大，这表明不溶残余物对重金属离子的吸附过程是个自发的过程，且随着温度的升高自发性增强； (6)通过对不溶残余物对 Cd<'2+>、Zn<'2+>、Cu<'2+>的吸附热力学研究发现，吸附过程的焓变△H为正值，而且不溶残余物对Cd<'2+>、Zn<'2+>、Cu<'2+>的吸附量随着温度的升高而增大，结果表明不溶残余物对重金属离子的吸附过程是一个吸热过程； (7)通过解吸实验表明，不溶残余物对重金属离子的固定能力较强。该研究为长期滞留在土壤体系中的不溶残余物可以钝化土壤重金属离子的污染提供了依据； (8)不溶残余物对重金属离子的吸附热力学研究及结合光电子能谱方法研究表明，不溶残余物对重金属离子的吸附是一个复杂的吸附过程，存在多种吸附机理，如离子交换吸附、表面络合吸附等。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1矿物的环境意义

1.2环境矿物学研究进展

1.3环境矿物基本属性

1.3.1表面吸附作用

1.3.2孔道过滤作用

1.3.3结构调整作用

1.3.4离子交换作用

1.3.5化学活性作用

1.3.6矿物物理效应作用

1.3.7纳米效应作用

1.3.8矿物与生物的交互作用

1.4沸石在土壤质量改良中的应用进展研究

1.4.1沸石在提高土壤养分有效性方面的应用

1.4.2沸石在土壤物化性质改良中的应用

1.4.3沸石在植物生理性状改良中的应用

1.4.3沸石在土壤重金属污染改良中的应用

1.5本文研究的目的和任务

2吸附理论基础和吸附模式

2.1吸附等温线

2.2吸附热力学

2.3吸附动力学

2.4颗粒内有效扩散系数

3实验过程

3.1实验材料

3.1.1硅钾矿肥样品制备

3.1.2硅钾矿肥不溶残余物制备

3.2实验仪器

3.3实验内容

4硅钾矿肥不溶残余物

4.1硅钾矿肥的矿物学特征

4.1.1化学成分分析

4.1.2 X射线衍射分析

4.1.3扫描电镜分析

4.2制备残渣过程实验参数对残渣矿物组合的影响

4.2.1酸度

4.2.2硅钾矿肥粒度

4.2.3浸泡时间

4.2.4小结

4.3硅钾矿肥不溶残余物的矿物特征

4.3.1化学成分分析

4.3.2 X射线衍射分析

4.3.3红外光谱分析

4.3.4扫描电镜分析

4.3.5透射电镜分析

4.3.6粒度分析

4.4本章小结

5硅钾矿肥不溶残余物对重金属离子的吸附特征

5.1硅钾矿肥不溶残余物对Cd2+吸附特征

5.1.1等温吸附

5.1.2吸附热力学

5.1.3吸附动力学

5.1.4不溶残余物用量的影响

5.1.5 pH值的影响

5.1.6解吸实验

5.1.7 XPS分析

5.2硅钾矿肥不溶残余物对Zn2+吸附特征

5.2.1等温吸附

5.2.2吸附热力学

5.2.3吸附动力学

5.2.4不溶残余物用量的影响

5.2.5 pH值的影响

5.2.6解吸实验

5.2.7 XPS分析

5.3硅钾矿肥不溶残余物对Cu2+吸附特征

5.3.1等温吸附

5.3.2吸附热力学

5.3.3吸附动力学

5.3.4不溶残余物用量的影响

5.3.5 pH值的影响

5.3.6解吸实验

5.3.7 XPS分析

5.4本章小结

6结论

6.1结论

6.2建议

致 谢

参考文献

附 录