HJAS  >> Vol. 9 No. 9 (September 2019)

    溶解性有机物对Cd吸附行为及影响因素的研究
    Study on DOM Adsorption Behavior and Influencing Factors of Cd

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作者:  

常 敏:陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安;自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西 西安;陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安;陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西 西安

关键词:
土壤污染溶解性有机物(DOM)吸附Cd2+Soil Contamination Dissolved Organic Matter (DOM) Adsorption Cd2+

摘要:

本文以作物秸秆中溶解性有机物(DOM)为吸附剂,Cd2+为吸附质,设置单一影响因素,研究DOM对Cd污染的吸附行为,找出最优吸附条件,并且在光谱层面上对DOM进行了紫外扫描,为后续利用该作物中DOM处理Cd污染的土壤提供科学依据。单因素试验结果表明:影响吸附的主要因素为DOM剂量与pH。DOM溶液添加的增多增加了土壤组分中的吸附位点,DOM溶液添加量为0.25 mL时,对Cd2+的吸附率为72.3%左右,在DOM溶液添加量达到2 mL的时候,吸附率达到最高点89.6%。pH在6~8之间时,DOM对Cd2+的吸附率能保持在高效稳定的状态。

In this paper, the soluble organic matter (DOM) in crop straw is used as the adsorbent, Cd2+ is the adsorption, a single factor is set, the adsorption behavior of DOM on Cd pollution is studied, the optimal adsorption conditions are found, and the DOM is scanned for ultraviolet ism at the spectral level. It provides a scientific basis for the subsequent use of DOM in the crop to treat Cd2+. The results of the single-factor test showed that the main factors affecting adsorption were DOM dose and pH. The increase of DOM solution increased the adsorption site in the soil component, when the amount added by DOM solution was 0.25 mL, the adsorption rate of Cd2+ was about 72.3%, and the adsorption rate reached the highest point of 89.6% when the amount added by DOM solution reached 2 mL. When pH is between 6 and 8, the adsorption rate of Cd2+ can be maintained in an efficient and stable state.

1. 引言

溶解性有机物(Dissolved Organic Matter, DOM)通常指能够溶于水的那部分有机物,也可以将其定义为通过0.45 μm孔径滤膜,大小和结构不同的有机分子的连续体 [1] 。它的主要成份是腐殖质和非腐殖质类的亲水性物质 [2] 。由于其自身的复杂组成及特性,不仅在肥力改良方面起着重要作用,而且在土壤有机污染物的降解、重金属污染治理等方面也越来越引起人们的关注,已经成为土壤科学、生态科学和环境科学交叉领域的研究热点 [3] ,是一种被认为用于改良重金属污染颇有潜力的物质 [4] [5] 。近年来相关学者进行了大量关于DOM吸附重金属的相关研究,王艮梅、周立祥等 [6] 研究发现DOM对Cu溶出能力受自身来源性质的影响;徐慧 [1] 研究了DOM对有机污染物环境行为的影响;曾希柏、杨佳波等 [7] 研究了DOM对土壤中Cu生物有效性的影响;付美云、周立祥 [8] 研究了DOM对土壤Pb溶出的影响。

本文研究了DOM在不同条件下对重金属Cd吸附行为的影响,综合分析其迁移规律,从而达到修复土壤重金属Cd污染的效果。以期为吸附作用的机制进行一定分析,为土壤重金属污染治理提供新的思路,为了解重金属的环境化学行为提供相关理论依据。

2. 材料与方法

2.1. DOM及供试土壤采集与预处理

取某高校花坛中的表层(0~20 cm)土壤,土壤基本理化性质按《土壤农化分析》进行测定,结果见表1。由表1可知,土壤中重金属含量均在中国土壤重金属背景值平均值以下 [9] ,据此认为,土壤样品未受重金属污染。

将该土壤样品与纯净水按1:4的质量比放入瓶子,将新鲜玉米秸秆粉碎后加入,于25℃,120 r/min条件下振荡24 h,得到的溶液再以3500 r∙min−1离心30 min,上清液过0.45 µm无菌微孔滤膜后即为溶解性有机物(DOM)样品,在冰箱保存备用 [10] 。

Table 1. The basic physical and chemical properties of soil

表1. 土壤的基本理化性质

2.2. 试验设计

1) 在浓度分别为20、40、60、80、100 mg/L的Cd2+溶液中分别加入1 mL DOM溶液,调整pH为7,封口后放入恒温25℃、120 r∙min−1恒温振荡器中振荡11 h,振荡完成后在3500 r∙min−1离心分离,得到上清液进行结果分析。

2) 将浓度为100 mg/L的Cd2+溶液分别调整其pH为6、7、8、9后加入1 mL DOM溶液,封口后放入恒温25℃、120 r∙min−1恒温振荡器中振荡11 h,振荡完成后在3500 r∙min−1离心分离,得到上清液进行结果分析。

3) 取等量pH为7,浓度为100 mg/L的Cd2+溶液,分别加入0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 mL DOM溶液,封口后放入恒温25℃、120 r∙min−1恒温振荡器中振荡11 h,振荡完成后在3500 r∙min−1离心分离,得到上清液进行结果分析。

上述每组实验均设置空白对照组,根据吸附前后Cd2+质量浓度的变化得出平衡吸附量和吸附率。

2.3. 测定指标与方法

DOC的测定采用总有机碳分析仪;紫外光谱分析采用紫外–可见分光光度计,扫描波长200~700 nm,扫描间隔0.5 nm;溶液中Cd2+浓度采用原子吸收分光光度计测定。

2.4. 数据统计分析

本实验数据采用Microsoft excel 2013、Origin 8.5等软件进行统计分析。

3. 结果分析

3.1. DOM的紫外光谱分析

不同pH处理下DOM的紫外光谱见图1。总体来看,随着紫外吸收波长的增加,吸收强度先急剧增加后稳步下降,至600 nm后紫外吸光度接近于0。在不同pH值条件下,紫外光谱最大吸收波长λmax分别位于244 nm (pH 6),229 nm (pH 7),236.5 nm (pH 8)和245 nm (pH 9),对应的最大吸光度分别为1.8632,1.6458,1.7904和1.8446;同时,在345 nm (pH 6)和355 nm (pH 9)附近区域出现较明显的吸收平台。一般认为,240 nm附近的紫外吸收峰源于π—π*跃迁产生的强吸收,可以归结为紫外光谱中的K吸收带。当pH值近中性时,λmax值最小(229 nm);在酸性(pH 6)和碱性(pH 8和9)条件下,λmax值均向长波长方向移动。推测由于溶液酸碱性的影响,溶剂分子和DOM分子间可能形成氢键,或者极性溶剂分子的偶极使DOM分子的极性增强,即发生了溶剂效应,导致吸收波长红移和λmax吸光度增加。

3.2. 不同Cd2+浓度对DOM吸附行为的影响

不同Cd2+浓度下DOM吸附情况如图2所示。随着Cd2+浓度的增加,吸附量与其成正相关趋势随之增加,但对其的去除率逐渐下降。Cd2+为20 mg/L时,去除率最大,为86.4%,此时吸附量较低,仅为4.11 mg∙g−1,当Cd2+为40 mg/L时,去除率骤降为80.1%,之后随着浓度增加,去除率逐渐降低,但趋势平缓,当Cd2+为100 mg/L时,去除率骤降为79.1%,吸附量在达到最大值19.77 mg∙g−1。这是因为随着吸附不断进行,吸附位点不断减小,尽管吸附量会随着吸附质浓度增加而增加,但由于吸附质浓度增幅更大,致使去除率减小 [11] 。

Figure 1. Ultraviolet spectrum of DOM in straw humus at different pH

图1. 不同pH下秸秆腐殖液中DOM的紫外光谱

Figure 2. Effect of different Cd2+ concentrations on DOM adsorption

图2. 不同Cd2+浓度对DOM吸附行为的影响

3.3. 不同pH条件下DOM对Cd2+吸附的影响

在25℃,Cd2+浓度为100 mg/L,DOM溶液体积为1 mL条件下反应结果如图3。根据图3显示,在pH为4和5时,DOM对Cd2+的吸附率较低,维持在在58%左右,当溶液pH在6时,吸附率大幅增加,此时吸附率在84%左右,当溶液pH大于6时,吸附率持续增加,但趋势平缓。溶液pH为8时,吸附率达到最大,为98%左右。可以看出pH对Cd2+的吸附效果有显著影响,碱性条件下,DOM溶液后对Cd2+的吸附率明显增加。因此,为了确保DOM溶液吸附土壤中Cd2+时效果良好,应先对土壤酸碱度进行测定,酸性土壤应先调整土壤pH达到6以上,再进行吸附试验。

Figure 3. Effect of DOM on Cd2+ adsorption under different pH conditions

图3. 不同pH条件下DOM对Cd2+吸附的影响

3.4. DOM溶液剂量对Cd2+吸附的影响

在25℃,Cd2+浓度为100 mg/L,pH为7的条件下,反应结果如图4

图4可知,随着DOM溶液剂量不断增加,其对Cd2+的吸附量也随之增加,去除率也呈线性提升,DOM溶液添加量为0.25 mL时,对Cd2+的吸附率为72.3%左右,在DOM溶液添加量达到2 mL的时候,吸附率达到最高点89.6%。分析曲线上升的原因可能为,DOM溶液添加的增多增加了土壤组分中的吸附位点,DOM溶液中的DOM与金属离子发生络合反应,形成了难溶于水的金属络合物沉淀。Cd2+受DOM的影响较大,随着DOM的增加,其吸附率提升明显。

产生这种现象的原因可能是因为首先Cd2+在DOM溶液存在条件下主要被自由的和不稳定的组分所吸附,随着DOM溶液添加量的增加,溶液中DOM含量也随之增加,而土壤中的吸附点位逐渐达到饱和,此时Cd2+吸附率的提升便较为缓慢。

Figure 4. Effect of the amount of straw humus on the removal effect of Cd2+

图4. DOM溶液量对Cd2+去除效果的影响

4. 结论

以作物秸秆中溶解性有机物(DOM)为吸附剂,Cd离子为吸附质,设置单一影响因素,研究DOM对Cd污染的吸附行为,经过数据处理和研究,最终得出以下结论。

1) 在一定范围内,秸秆溶解性有机物可以促进有机无机复合体对Cd2+的吸附,而且随着DOM体积的增加,吸附率也就越大。在pH为7左右的情况下,2 mL的DOM加入12.5 mL的100 mg/L Cd2+溶液,最终可达到89.6%的吸附率。

2) 加入DOM溶液后,Cd2+的吸附也受pH影响。随着pH值的增加,Cd2+的吸附率显著增加。当pH小于6时,DOM的吸附效果不是很明显,当pH大于6时,DOM溶液的加入可以显著提高其对溶液中Cd2+的吸附率。为了确保DOM溶液吸附土壤中Cd2+时效果良好,应先对土壤酸碱度进行测定,酸性土壤应先调整土壤pH达到6以上,再进行吸附试验。

文章引用:
常敏. 溶解性有机物对Cd吸附行为及影响因素的研究[J]. 农业科学, 2019, 9(9): 725-730. https://doi.org/10.12677/HJAS.2019.99103

参考文献

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