低分子量有机酸在典型红黏土红壤中的吸附特征及机理研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qjhsgw
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低分子量有机酸被认为在许多土壤过程中起着重要作用,如根际养分活化、金属毒性缓解和土壤矿物风化等,而低分子量有机酸在土壤中的吸附将会影响土壤的表面电荷性质和动电性质,进而影响其在土壤中的作用。因此,为了更好地了解低分子量有机酸在可变电荷土壤中的化学行为,本文以典型红黏土红壤为研究对象,通过一次平衡法研究了:1)低分子量有机酸在单一体系和共存体系条件下在红壤中的等温吸附特征及其吸附动力学;2)主要土壤组分,如有机质和游离氧化铁、铝在红壤吸附低分子量有机酸中的作用;3)体系环境条件,如溶液pH、离子强度、溶剂介电常数、温度和水土比对红壤吸附低分子量有机酸的影响。主要研究结果如下:   1.红壤对低分子量有机酸的吸附量随有机酸平衡溶液浓度的增加而增加,且其等温吸附结果均可以很好地用Langmuir、Freundlich和Temkim方程描述,其中以Langmuir方程的拟合效果最优。Langmuir方程的拟合结果显示,红壤对有机酸的最大吸附量(Sm)顺序为:草酸>苹果酸>柠檬酸>酒石酸;吸附亲和力常数(K)顺序为:草酸>柠檬酸>酒石酸>苹果酸。红壤对柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附率和吸附缓冲能力均随着有机酸初始浓度的增加先急剧下降,之后缓慢下降至趋于平稳;而草酸的吸附率和吸附缓冲能力则先随着初始浓度的增加而增加,在3 mmol L-1左右时达到最大,随后逐渐降低至趋于平稳。在0.5~20 mmol L-1初始浓度范围内,草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的最大吸附率分别为89.23%、77.50%、67.40%和47.09%。   2.低分子量有机酸在共存体系中的吸附不同于其在单一体系中的吸附。在1~20 mmol L-1初始浓度范围内,等浓度的草酸对柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附均起抑制作用,相应的吸附抑制率分别为:20.3%~48.2%、6.0%~45.0%和50.2%~69.7%。而等浓度的柠檬酸、酒石酸和苹果酸对草酸吸附的影响因有机酸浓度而异。低有机酸浓度时(1~5 mmol L-1),柠檬酸、酒石酸和苹果酸对等浓度草酸的吸附几乎没有影响;而高有机酸浓度时(5~20 mmol L-1),却对等浓度草酸的吸附起促进作用。   3.低分子量有机酸的吸附随时间的变化可以分为快、慢、2个阶段。0~120min、0~20 min、0~10 min和0~10 min可以分别看作是草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的快反应阶段,相应有机酸在快反应阶段的吸附量分别占整个过程吸附量的68.6%、64.0%、50.0%和51.8%。双常数方程、Elovich方程、抛物扩散方程和一级动力学方程均可以很好地描述低分子量有机酸在红壤中的吸附特征,其中以双常数方程的拟合效果最好。根据双常数方程推算出的红壤对低分子量有机酸的吸附速率顺序为:草酸>柠檬酸>酒石酸>苹果酸。   4.双氧水去除有机质对低分子量有机酸的吸附略有促进作用,而腐殖酸与土壤培养一个月后对低分子量有机酸的吸附有轻微的抑制作用。1~20mmol L-1初始浓度范围内,DCB法去除占土壤总量3.79%的游离氧化铁、铝使草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量分别减少了3.2%~30.3%、20.4%~48.1%、42.1%~58.6%和13.1%~41.5%。其减少程度因有机酸种类而异,与原土对有机酸的最大吸附量(Sm)大小顺序相反。   5.随着溶液pH值的升高,低分子量有机酸的吸附量降低,其中草酸和酒石酸的吸附量在pH3.5~5.0范围内,随着pH值的升高而急剧下降,之后(pH5.0~7.0)缓慢下降。柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量在1~2 mmol L-1初始浓度范围内,随着离子强度的增加没有明显变化;但在2~20 mmol L-1初始浓度范围内,却随着离子强度的增加而增加。红壤对草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量均随着溶剂介电常数的减小(乙醇添加量的增加)而增加。当溶剂中含6%的乙醇时,草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量分别是对照(不含乙醇)的1.05、1.05、1.11和1.31倍。低分子量有机酸的吸附量、最大吸附量(Sm)及吸附亲和力常数(K)均随温度的升高而增加,随水土比的增加而降低。温度和水土比变化对有机酸吸附的影响程度因有机酸种类而异,影响程度大小与土壤对有机酸的吸附亲和力常数(K)大小顺序相反。45℃时,土壤对草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量分别是25℃时的1.19、1.22、1.24和1.28倍;100:1水土比条件下,草酸、柠檬酸、酒石酸和苹果酸的吸附量分别较10:1水土比条件下的吸附量减少了48.3%、54.9%、63.5%和76.1%。
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