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基于光谱识别技术的土壤铁锰结核对镉的吸附行为研究

范春辉  郑金焕  王宇飞  苏哲  蔺龙健  杨晨  
【摘要】:铁锰结核是具有高反应活性的矿物复合体;与海洋铁锰结核不同,土壤铁锰结核常在干湿交替、水气干扰条件下存在,形成了独具特色的地球化学特征。作为土壤"新生体",不同地区铁锰结核常表现出较大差异。研究典型区域土壤铁锰结核与重金属的结合行为,有助于深入了解铁锰结核的微生态属性,对于后续土壤的开发利用、保育改良、污染修复等都具有战略性指导意义。目前,关于中国西部地区土壤铁锰结核的相关研究极少,本研究有望从光谱学层面弥补领域不足、充实科学体系。采用水洗法获得西部地区土壤铁锰结核,使用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、 X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征铁锰结核主量元素和结构特点。通过静态批次实验考察铁锰结核与Cd的结合行为,探讨时间、 Cd溶液浓度和温度对吸附的影响,引入动力学方程和等温线方程拟合反应过程,计算热动力学参数并探讨吸附后铁锰结核的洗脱可能性。不同粒径铁锰结核主量元素氧化物都以Fe_2O_3, SiO_2, Al_2O_3, MnO为主,Fe_2O_3含量最高,SiO_2次之;铁锰结核与土壤基质的矿物组成高度相似,FTIR图谱证实—OH, Si—O—Si (Al), Fe(Mn)—O等基团的存在。吸附过程总体表现为"先快后慢":反应6 h后的吸附量Q为4.96 mg·g~(-1),至12 h后吸附效果趋于不变。Cd溶液浓度的增加有助于吸附量Q的升高,温度对吸附反应的影响较小。准二级动力学方程可以更好地拟合吸附反应(R~2为0.994 3),说明化学吸附为控速步骤。Langmuir方程的拟合系数(R~2为0.999 1)高于Freundlich方程,表明吸附反应属于单分子层化学吸附。吸附过程自发、吸热且存在络合性吸附,反应后体系混乱度增加。由自来水配制的0.1 mol·L~(-1) HCl溶液的洗脱效果更好。本研究可以为后续(光谱层面的)反应机制剖析提供基础数据。

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