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黄泥土微团聚体颗粒组对Cu^ 2+ 的吸附与解吸研究[J]黄泥土微团聚体颗粒组对Cu^ 2+ 的吸附与解吸研究[J] -- 12 元

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生态环境2006,155988992http//www.jeesci.comEcologyandEnvironmentEmaileditorjeesci.com基金项目国际自然科学基金重点项目(40231016)国土资源部、江苏省重大项目(EG0008)南京农业大学SRT项目作者简介董长勋(1966-),女,讲师,博士研究生,主要从事土壤与环境化学研究。Emaildongchangxunyahoo.com.cn通讯作者潘根兴(1958-)男,教授,博士,博士生导师,主要从事土壤环境研究。Emailpangenxingyahoo.com.cn收稿日期20060609黄泥土微团聚体颗粒组对Cu2的吸附与解吸研究董长勋1,2,潘根兴1,陆建虎2,张爽2,胡良明21.南京农业大学资源与生态环境研究所,江苏南京2100952.南京农业大学理学院,江苏南京210095摘要采用低能量超声波分散和冷冻机干燥法提取太湖地区黄泥土不同粒径微团聚体颗粒组样品,用平衡液吸附法和CaCl2与HCl溶液的连续解吸法研究原土和不同粒径微团聚体颗粒组对重金属Cu2的吸附和解吸特征。结果表明,对于Cu2的吸附,原土用Langmuir方程拟合最佳,而不同粒径微团聚体颗粒组用Freundlich方程拟合最佳。原土和不同粒径微团聚体颗粒组吸附量大小顺序为粘粒级砂粒级原土粉砂级粗粉砂级,这与其游离氧化铁和有机质含量呈显著正相关。原土和不同粒径微团聚体颗粒组对Cu2的专性吸附质量分数随吸附量增加而减少,而非专性吸附质量分数则相反。不同粒径微团聚体颗粒组吸附总量小于原土,所以传统风干磨细的研究方法可能高估了土壤对铜固持能力。关键词Cu2微团聚体颗粒组吸附与解吸团聚体颗粒组中图分类号X131.3文献标识码A文章编号16722175(2006)05098805土壤微团聚体颗粒组是构成土壤的最基本结构单元,是田间微观尺度的环境容量与过程的物质载体12。由于土壤的不同粒径微团聚体颗粒组与有机质和矿物质的结合方式不同,它们对植物养分的吸收和分布、对重金属和有机毒物的束缚能力以及生物有效性等方面存在差异。过去以整体土壤作为研究对象对重金属土壤化学已有过大量研究报道34。但是这种研究是采用磨细一般过0.25mm筛的湿化学技术,因而没有考虑野外土壤中矿物质与有机质和生物质的结合对吸附的影响,目前国内外已经开始关注重金属在土壤的不同粒径微团聚体颗粒组中的分布与行为研究56,提出了不同粒组微团聚体颗粒组中重金属的吸附机制及移动性的问题。但迄今为止以微团聚体颗粒组为研究对象,对重金属的吸附与解吸特点等方面的报道很少。本文通过未破坏的微团聚体颗粒组分离提取,研究太湖地区具有代表性的水稻土黄泥土不同粒组微团聚体颗粒组的表面化学性质与对铜离子的吸附和解吸行为,探讨微团聚体颗粒组中有机无机物质相互作用对其表面性质的影响,讨论不同粒组微团聚体颗粒组的铜吸附特性与本体土壤过程的联系与差别,推进土壤学中对微观尺度化学过程与环境作用的了解,揭示野外微团聚体颗粒组过程在土壤环境过程上的意义,为认识野外土壤的微观过程和环境功能提供科学依据。1材料与方法1.1供试土壤供试土壤为太湖地区黄泥土,采于江苏省吴江市金家坝镇,样品取自015cm。土壤采集后置于冷藏箱保存。取一部份土壤风干磨碎,过0.25mm筛,用于测定原土基本性质。1.2土壤微团聚体颗粒组分离依据Stemmer等1999方法7并略作修改,沿用国际制土壤颗粒分级划定粒组。称取未处理土样50g,水土质量比5∶1,置于盛有250ml蒸馏水的烧杯中,浸泡过夜。用探针式超声波发生器JYD650低能量170JmL1超声分散5min。用湿筛法分离出2.000.20mm粒径的土壤颗粒,然后通过Stokes定律计算沉降时间,用沉降虹吸法分离出0.200.02mm粒径的土壤颗粒,继而采用离心法分离出0.020.002mm、砂粒级原土粉砂级粗粉砂级。砂粒级和粘粒级微团聚体颗粒组吸附量相对较大且比较接近。四个粒径微团聚体颗粒组按其百分含量(表1)进行加权计算,得到的团聚体颗粒组吸附总量(1779mgkg1)小于原土(1970mgkg1)。所以传统风干磨细的研究方法可能高估了土壤对铜固持能力。表1微团聚体颗粒组颗粒组的百分含量及基本性质Table1Contentandbasicpropertiesofmicroaggregates粒组直径/mm占土壤/pHH2O有机质/gkg1游离氧化铁/gkg1CEC/cmolkg1比表面积/m2g1砂粒级(2.000.20)18.805.8042.3632.0121.40250.6粗粉砂级(0.200.02)42.256.0526.7314.3616.69346.3粉砂级(0.020.002)29.535.8127.6016.2115.36362.3粘粒级(粉砂级砂粒级粘粒级,与吸附量大小顺序刚好相反。在低Cu2质量浓度条件(10mgL160mgL1),原土的非专性吸附质量分数介于砂粒级和粘粒级之间,而在高Cu2质量浓度条件(60mgL1200mgL1),原土的非专性吸附质量分数大于4个粒组微团聚体颗粒组,说明原土和微团聚体颗粒组是不同性质粒子的团聚与结合状态。所以当外源Cu2质量质量浓度大于60mgL1,即Cu2吸附量超过大约800mgkg1时,对于非专性吸附质量分数测定,实验室传统风干磨细的试验结果比田间原状土壤大,这部分易解吸的铜在土壤环境内的迁移和植物营养学上是很重要的,所以传统风干磨细的研究方法对铜污染的潜在性和生物有效性的估计可能偏高。2.2.2专性吸附Cu2的解吸专性吸附质量分数即两次HCl溶液解吸量之和/吸附量即专性吸附量占总吸附量的质量分数。原土和4个粒组微团聚体颗粒组的专性吸附质量分数与吸附量呈显著负相关(下页图5),也就是说在低铜质量浓度溶液中,专性吸附质量分数较大,达7090。Jarvis也曾提出1011,土壤胶体y1306.7Lnx2704.5R20.7890100015002000250020304050有机质(gkg1)吸附量(mgkg1)图2原土和微团聚体颗粒组最大吸附量与有机质的相关性Fig.2CorrelationbetweenthelargestadsorptionamountofDifferentsizefractionsandorganicmatters01020304050050010001500200025003000吸附量/mgkg1非专性吸附质量分数/砂粒级粗粉砂级粗粉砂级粘粒级原土图4非专性吸附Cu2总吸附量的比例Fig.4TheofnonspecialadsorptiontototaladsorptionamountofCu2y909.57Lnx891.46R20.91601000150020002500101520253035氧化铁/gkg1吸附量/mgkg1图3原土和微团聚体颗粒组最大吸附量与游离氧化铁的相关性Fig.3Correlationbetweenthelargestadsorptionamountofdifferentparticlesizefractionsandfreeoxideiron董长勋等黄泥土微团聚体颗粒组对Cu2的吸附与解吸研究991特别是氧化物和有机质具有一些对铜有较强亲和力的吸附点,在铜质量浓度很低(0.11.0mgL1)的条件下即可进行充分的专性吸附。在这种专性吸附中起作用的是有机质、氧化铁和粘土矿物表面的羟基与Cu2配位和络合。随着平衡溶液质量浓度增大,较强的吸附位点被占据后,弱吸附位点的吸附作用就显得重要起来。所以,专性吸附优先进行,外源铜低质量浓度条件下吸附的主要贡献来自于专性吸附,高质量浓度条件下是非专性吸附。从图5中可以看出,四个微团聚体颗粒组在相同吸附量时专性吸附质量分数大小顺序是粘粒级砂粒级原土粉砂级粗粉砂级,恰好与土样中有机质和游离氧化铁的质量分数一致。在低Cu2质量浓度条件下40mgL1以下原土的专性吸附质量分数最大,是由于微团聚体颗粒组有较小的黏土矿物通过植物的细根和丛状菌根的菌丝进一步胶结形成的12,因此部分强亲和力的位点被屏蔽或减弱。相反,原土在实验室传统的处理方法使有机质和氧化铁等暴露在土壤表面而具有更多的吸附位点。所以,在低Cu2质量浓度条件下专性吸附就得以充分满足,随着Cu2质量浓度增加专性吸附质量分数逐渐下降,介于粉砂级和粗粉砂级之间。3结论(1)Cu2的吸附特性,原土用Langmuir等温吸附方程拟合最佳,而微团聚体颗粒组用Freundlich等温吸附方程拟合最佳,说明Cu2在原土表面上属于单层吸附,而在微团聚体颗粒组表面上可以多层吸附。(2)Cu2的吸附量粘粒级砂粒级原土粉砂级粗粉砂级,与有机质、游离氧化铁质量分数的大小顺序一致,吸附能力与有机质、游离氧化铁含量有直接关系。(3)原土Cu2的吸附量大于微团聚体颗粒组吸附总量,所以传统风干磨细的研究方法可能高估了土壤对铜固持能力。参考文献1潘根兴.地球表层系统土壤学M.北京地质出版社,2000,22245.PANGenxing.SoilScienceofEarthSurfaceSystemM.BeijingChinaGeologyPress,200022245.2SCHULTEN,HR,LEINWEBERP.Newinsightsintoorganicmineralparticlescomposition,propertiesandmodelsofmolecularstructureJ.BiologyFertilizerSoils,2000,30399432.3李瑛,李洪军,张桂银,等.几种电解质对土壤吸附Cu的影响J.生态环境,2003,121811.LIYing,LIHongjun,ZHANGGuiyin,etal.InfluenceofelectrolyteonadsorptionofcopperinsoilsJ.EcologyandEnvironment,2003,121811.4武玫铃.土壤对铜离子的专性吸附及其特征的研究J.土壤学报,1989,213140.WUMeiling.StudyonthespecificadsorpionofcopperionbysoilsanditscharacteristicsJ.ActaPedologicaSinica,1989,213140.5DUCAROUIRJ,LAMYI.EvidenceoftracemetalassociationwithsoilorganicmatterusingparticlesizefractionationafterphysicaldispersiontreatmentJ.Analyst,1995,120741745.6WILCKW,KRETASCHMARS.BundtmetalconcentrationinaggregateinteriorsexteriorswholeaggregatesandbulkofCostaRicansoilsJ.SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1999,6312441249.7STEMMER,GERZABCKI,KANDELER.OrganicmatterandenzymeactivityinparticlesizefractionsofsoilsobtainedafterlowenergysoilbiochemistyJ.SoilBiologyBiochemistry,1998,301917.8鲁如坤.土壤农业化学分析方法M.北京中国农业科技出版社,1999.LURukun.AnalyticalMethodsofSoilandAgriculturalChemistryM.BeijingAgriculturalScienceandtechnologyPressofChina,1999.9成杰民,潘根兴,郑金伟,等.模拟酸雨对太湖地区水稻土铜吸附解吸的影响J.土壤学报,2001,383333339.CHENGJiemin,PANGenxing,ZHENGJinwei,etal.EffectofsimulateacidonadsorptionanddesorptionofcopperbypaddysoilsinTaihulakeregionJ.ActaPedologicaSinica,2001,383333339.10JARVISSC.CoppersorptionbysoilsatlowconcentrationandrelationtouptakebyplantJ.SoilScience,1981,32257269.11SYU,ZLHE,CYHUANG,etal.EffectofanionsonthecapacityandaffinityofcopperadsorptionintwovariablechargesoilsJ.Biogeochemistry,2005,75118.12OADESRD,MORRISSR,MOYESRB.AluminasupportedtungstencatalystsforthehydrogenationofcarbonmonoxideJ.CatalysisToday,1991,103379385.20406080100050010001500200025003000吸附量/mgL1专性解吸质量分率/砂粒级粗粉砂级粉砂级粘粒级原土图5联专性吸附Cu2占总吸附量的比例Fig.5TheofspecialadsorptiontototaladsorptionamountofCu2992生态环境第15卷第5期(2006年9月)AdsorptionanddesorptionofCu2bybulksamplesandsizefractionsofmicroAggregatesofapaddysoilHuangnitufromTaiLakeregion,ChinaDONGChangxun1,2,PANGenxing1,LUJianhu2,ZHANGShuang2,HULiangming21.InstituteofResources,EcosystemandEnvironmentofAgriculture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China2.CollegeofSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,ChinaAbstractSizefractionsofmicroaggregateswereseparatedfromatypicalpaddysoilfromtheTaiLakeregion,Chinabyalowenergyultrasonicdispersionandsubsequentfreezedryingprocedure.ThesorptionanddesorptionofCu2byboththebulksamplesandthesizefractionswerestudiedbyequilibriumadsorptionanddesorptionbyCaCl2andHClsolutionrespectively.ThesorptionanddesorptionofCu2bythebulksoilsamplesfittedwelltotheLangmuirIsothermmodelandbythesizefractionstotheFreundlichmodel.TheCu2adsorptioncapacitywasintheorderclayfractionsandfractionbulksoilsiltfractioncoarsesiltfractionandcorrelatedwelltothecontentsoffreeironoxyhydratesandorganicmatterwithinthem.sinsizefractions.Contributionofspecificadsorptionwasinproportiontothetotaladsorptioncapacity,viceverseforthenonspecificadsorption.However,therecoveredsumofadsorptioncapacitybythedifferentsizefractionswasmuchlowerthanthebulktotal.ItwasproposedthattheretentionofCubythefiledsoilsmighthavebeenoverestimatedusingthegroundbulksamplesofdisturbedsoil.Keywordscoppermicroaggregatesadsorptionanddesorptionsizefractions
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vyyolyg827上传于2014-04-20

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