水铁矿和有机质对土壤及水中砷吸附迁移行为的影响研究

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砷(As)是一种常见的有毒类金属元素,我国土壤和地下水环境中经常存在砷超标的现象,对人体健康以及农作物的产量有重要的影响,施用氧化铁能降低土壤和水体中砷的含量。在铁氧化物中,水铁矿具有颗粒小、比表面积大、表面活性高等特点,可以通过吸附和共沉淀作用固定砷。土壤中有机质可直接与砷发生络合/螯合作用,或者与铁(铝)氧化物发生化学反应,改变铁氧化物等对砷的吸附固定效果,进而影响土壤中砷的迁移和转化过程。本研究通过在实验室内合成2-Line和6-Line水铁矿,比较两者对水中As(V)的吸附固定效果,同时选取腐殖质(HS)、黄腐酸(FA)和鸡粪提取的可溶性有机质(DOM)三种典型有机质,探讨它们对As(V)吸附、迁移行为的影响。首先在实验室内合成不同晶型的2-Line和6-Line水铁矿,并对其形态进行表征;随后开展水中As(V)的吸附热力学、动力学及解吸实验研究;接着进行不同种类、不同浓度有机质对水铁矿吸附As(V)的影响实验;最后通过土壤吸附实验及模拟土柱试验探讨了不同类型有机质对土壤中As(V)迁移行为的影响。本研究结果将为土壤和水中As(V)的化学行为和污染调控提供一定的理论依据。主要实验结果如下:1.实验室内合成的2-Line水铁矿和6-Line水铁矿粒径均比较小,均是非晶态物质,通过XRD可以检测到微弱衍射峰;2-Line水铁矿和6-Line水铁矿的组成是相似的,主要由铁和氧元素组成,且两种元素含量的百分比Fe:O均为1:1.6左右;6-Line水铁矿结晶度优于2-Line水铁矿,2-Line水铁矿和6-Line水铁矿的主要差异是相干散射域尺寸不一致,且6-Line水铁矿并不是2-Line水铁矿的一个简单的更高结晶形式。2.6-Line水铁矿对As(V)的吸附效果弱于2-Line水铁矿;As(V)在水铁矿表面的吸附动力学曲线可用二级动力学描述,达到平衡时,2-Line和6-Line水铁矿对砷的吸附量分别为49.40 mg·g-1和28.68 mg·g-1;As(V)在两种水铁矿表面的吸附随浓度的升高而不断增加,Langmuir等温吸附模型拟合效果良好,温度升高,最大吸附量降低,说明吸附为放热反应;以水和Na OH作为解吸剂对吸附在水铁矿表面的砷进行解吸,解吸量随初始浓度的增加而增大,6-Line水铁矿对As(V)的解吸率均大于2-Line水铁矿,Na OH的解吸率远高于水的解吸率。3.在水铁矿-砷反应体系中加入有机质后,结果发现,有机质的种类和浓度显著影响水铁矿对水中As(V)的吸附效果,吸附量均有不同程度的变化。可溶性有机质、腐殖质和黄腐酸均降低了水铁矿对As(V)的吸附量,其中鸡粪提取的可溶性有机质降低最为显著,其次为腐殖质,降低量最少的为黄腐酸;随着有机物浓度的增加,平衡状态下As(V)的吸附量降低,且降低幅度增大;三种有机质对2-Line水铁矿吸附As(V)的抑制程度大于6-Line水铁矿。4.土壤吸附实验结果表明腐殖质的加入对土壤吸附As(V)影响较小,黄腐酸和DOM会降低土壤对As(V)的吸附量。模拟土柱实验中As(V)的穿透曲线和As(V)在土壤内部垂直分布曲线结果均表明,加入有机质后,对As(V)的迁移有一定影响。As(V)在土壤中运移有不同程度的延迟拖尾现象,在土壤中的迁移性能大小顺序为腐殖质-土壤≈单一土壤<可溶性有机质-土壤<黄腐酸-土壤,阻滞系数Rd值分别为19.53、17.82、12.20、10.13。
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