土壤矿物/有机物复合体固定重金属的表面络合模型研究
发布时间：2021-11-14 05:37
重金属污染是全球性的环境问题,在我国尤为严峻,已成为制约生态文明建设的重要因素。重金属的生物有效性受土壤不同固相组分对其吸附的控制。表面络合模型（SCM）不仅可以用来探讨重金属的吸附机理,还可用于预测土壤中重金属的形态,对于风险评估和污染修复具有重要意义。土壤中的矿物、有机质、微生物等不同类型组分常以复合形态存在,目前多采用组分相加方法来模拟矿物-有机多组分复合物中重金属的吸附。该方法忽略了矿物-有机质以及矿物-有机质-重金属之间的多元反应,因而模型计算常存在偏差。因此,基于界面作用过程及重金属的吸附机制,构建组分互作下的SCM,有助于准确解析土壤矿物-有机物复合体中重金属的赋存状态,为土壤重金属形态预测提供有效的技术方法。本研究选取蒙脱石、铁（氢）氧化物、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）以及腐殖酸（HA）等代表性土壤组分,制备矿物-细菌、矿物-HA以及矿物-HA-细菌复合体;以电位滴定及复合体对Cu（II）、Cd（II）、Pb（II）的宏观吸附数据为基础,结合红外光谱（FTIR）测定的官能团信息、等温滴定量热（ITC）提供的热力学信息、同步辐射X-射线吸收光谱（E...
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
表面络合模型构建流程及目的示意图
图1-2 Basic Stern模型固-液界面电层物理结构模式图ig. 1-2 Schematic representation of the surface/solution interface according to BSM.中y轴代表表面电势（ ），x轴代表距离固相表面的距离及电荷（ ）分布设表面电场由内层和扩散层组成，随着远离固相表面（0-plane）分别为内面（IHP or 1-plane）和外赫姆霍兹面（OHP）。IHP面上电容为C1，电势为吸附H+、OH-离子及重金属离子。模型认为该层位点数量是有限的，吸附中平衡浓度呈正比。背景电解质离子分布在OHP面，同时部分IHP上重金属分配在该层。模型中同时假设表面位点与带相反电荷的背景离子可形成离tern发现忽略OHP的电容时，即1=2，不会显著影响模型计算的准确性。SM中固液界面总电容为IHP和扩散层电容的总和。模型中0= C1*(0-1)散层总电荷量f(1)。对于一价电解质溶液：1= -f(1) = (8* * 0*RTI)^0.5* sinh(F1/2RT)。中 为电容率；T 为热力学温度；I为离子强度，R为理想气体常数。
华中农业大学 2019 届博士研究生学位论文6图1-3 土壤活性组分示意图。A：针铁矿101和001面结构（Gaboriaud and Ehrhardt, 2003)；B：2:1型层状硅酸盐矿物（Miller and Yifeng, 2012)；C：细菌细胞原子力显微镜高分辨成像（Dufrêne,2014)；D：不同pH及阳离子溶液中富里酸形貌（Myneni et al., 1999)Fig. 1-3 Schematic diagram of soil components. A: Schematic representation of the surfacestructures of the (101) and (001) faces (Gaboriaud and Ehrhardt, 2003). B: Visualconceptualization of 2:1 clay layering (Miller and Yifeng, 2012). C: High-resolution AFM imagesof individual bacterial cells (Dufrêne, 2014). D: pH and cation dependent macromolecularstructures of fluvial fulvic acid (Myneni et al., 1999).1.2.1 铁氧化物土壤中铁氧化物含量丰富，活跃的氧化还原反应特性使其成为推动C、N、S以及重金属元素循环转化的关键物质。近年来，基于对铁氧化物结构认识的深入，构建了一系列更为精确的SCM，其中晶型铁氧化物的模型发展最早且相对最为完善。Hiemstra等人以针铁矿表面晶体结构为基础，根据与O配位Fe原子数，将针铁矿表面位点分为三类：单配位基团（>FeOH），双配位基团（>Fe2OH）和三配位基团（>Fe3O）（Hiemstra et al., 1989; Hiemstra and Van Riemsdijk, 1996）。其中>FeOH和>Fe3O基团解离常数均等于针铁矿电荷零点。>Fe2OH在pH 0-14之间不易发生质子化反应，认
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展[J]. 汪景宽,徐英德,丁凡,高晓丹,李双异,孙良杰,安婷婷,裴久渤,李明,王阳,张维俊,葛壮. 土壤学报. 2019(03)
[2]土壤样品中重金属化学形态模型的发展与应用[J]. 邓迎璇,李永涛,李晓晶,王龙,马杰,陈雅丽,翁莉萍. 农业环境科学学报. 2018(07)
[3]电化学基础（Ⅲ）——双电层模型及其发展[J]. 吴旭冉,贾志军,马洪运,廖斯达,王保国. 储能科学与技术. 2013(02)
[4]放射性核素在固-液界面上的吸附:模型及其应用[J]. 范桥辉,郭治军,吴王锁. 化学进展. 2011(07)
[5]固液界面吸附机制与模型——“环境水质学前沿专栏”序言[J]. 杨敏,豆小敏,张昱. 环境科学学报. 2006(10)
[6]表面络合理论中常用计算机模型软件[J]. 王向天,汤鸿霄,黄君礼. 化学工程师. 2001(01)
博士论文
[1]Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）在土壤矿物—有机互作界面的分子结合机制[D]. 杜辉辉.华中农业大学 2017
[2]几种水平地带性土壤颗粒中粘粒矿物的组成与演化特征[D]. 张志毅.华中农业大学 2016
[3]土壤活性组分对Pb（Ⅱ）的吸附及其化学形态模型模拟[D]. 熊娟.华中农业大学 2015
[4]几种亚稳态铁氧化物的结构、形成转化及其表面物理化学特性[D]. 王小明.华中农业大学 2015
[5]土壤活性颗粒对细菌吸附及活性影响的机制[D]. 吴华勇.华中农业大学 2015
[6]重金属与细菌—土壤活性颗粒微界面互作的分子机制[D]. 方临川.华中农业大学 2011
硕士论文
[1]不同比例的矿物—恶臭假单胞菌复合体对Cd的吸附[D]. 刘景.华中农业大学 2018
[2]矿物—细菌—腐殖酸三元复合体的形成方式对镉吸附的影响[D]. 刘容孜.华中农业大学 2016
[3]镉在蒙脱石/高岭石—枯草芽孢杆菌复合体上吸附的表面络合模型研究[D]. 王宁.华中农业大学 2015
[4]蒙脱石、针铁矿—细菌—腐殖酸复合体对Cd（II）的吸附机理初探[D]. 康凯丽.华中农业大学 2013
本文编号：3494059
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
表面络合模型构建流程及目的示意图
图1-2 Basic Stern模型固-液界面电层物理结构模式图ig. 1-2 Schematic representation of the surface/solution interface according to BSM.中y轴代表表面电势（ ），x轴代表距离固相表面的距离及电荷（ ）分布设表面电场由内层和扩散层组成，随着远离固相表面（0-plane）分别为内面（IHP or 1-plane）和外赫姆霍兹面（OHP）。IHP面上电容为C1，电势为吸附H+、OH-离子及重金属离子。模型认为该层位点数量是有限的，吸附中平衡浓度呈正比。背景电解质离子分布在OHP面，同时部分IHP上重金属分配在该层。模型中同时假设表面位点与带相反电荷的背景离子可形成离tern发现忽略OHP的电容时，即1=2，不会显著影响模型计算的准确性。SM中固液界面总电容为IHP和扩散层电容的总和。模型中0= C1*(0-1)散层总电荷量f(1)。对于一价电解质溶液：1= -f(1) = (8* * 0*RTI)^0.5* sinh(F1/2RT)。中 为电容率；T 为热力学温度；I为离子强度，R为理想气体常数。
华中农业大学 2019 届博士研究生学位论文6图1-3 土壤活性组分示意图。A：针铁矿101和001面结构（Gaboriaud and Ehrhardt, 2003)；B：2:1型层状硅酸盐矿物（Miller and Yifeng, 2012)；C：细菌细胞原子力显微镜高分辨成像（Dufrêne,2014)；D：不同pH及阳离子溶液中富里酸形貌（Myneni et al., 1999)Fig. 1-3 Schematic diagram of soil components. A: Schematic representation of the surfacestructures of the (101) and (001) faces (Gaboriaud and Ehrhardt, 2003). B: Visualconceptualization of 2:1 clay layering (Miller and Yifeng, 2012). C: High-resolution AFM imagesof individual bacterial cells (Dufrêne, 2014). D: pH and cation dependent macromolecularstructures of fluvial fulvic acid (Myneni et al., 1999).1.2.1 铁氧化物土壤中铁氧化物含量丰富，活跃的氧化还原反应特性使其成为推动C、N、S以及重金属元素循环转化的关键物质。近年来，基于对铁氧化物结构认识的深入，构建了一系列更为精确的SCM，其中晶型铁氧化物的模型发展最早且相对最为完善。Hiemstra等人以针铁矿表面晶体结构为基础，根据与O配位Fe原子数，将针铁矿表面位点分为三类：单配位基团（>FeOH），双配位基团（>Fe2OH）和三配位基团（>Fe3O）（Hiemstra et al., 1989; Hiemstra and Van Riemsdijk, 1996）。其中>FeOH和>Fe3O基团解离常数均等于针铁矿电荷零点。>Fe2OH在pH 0-14之间不易发生质子化反应，认
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展[J]. 汪景宽,徐英德,丁凡,高晓丹,李双异,孙良杰,安婷婷,裴久渤,李明,王阳,张维俊,葛壮. 土壤学报. 2019(03)
[2]土壤样品中重金属化学形态模型的发展与应用[J]. 邓迎璇,李永涛,李晓晶,王龙,马杰,陈雅丽,翁莉萍. 农业环境科学学报. 2018(07)
[3]电化学基础（Ⅲ）——双电层模型及其发展[J]. 吴旭冉,贾志军,马洪运,廖斯达,王保国. 储能科学与技术. 2013(02)
[4]放射性核素在固-液界面上的吸附:模型及其应用[J]. 范桥辉,郭治军,吴王锁. 化学进展. 2011(07)
[5]固液界面吸附机制与模型——“环境水质学前沿专栏”序言[J]. 杨敏,豆小敏,张昱. 环境科学学报. 2006(10)
[6]表面络合理论中常用计算机模型软件[J]. 王向天,汤鸿霄,黄君礼. 化学工程师. 2001(01)
博士论文
[1]Cd（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）在土壤矿物—有机互作界面的分子结合机制[D]. 杜辉辉.华中农业大学 2017
[2]几种水平地带性土壤颗粒中粘粒矿物的组成与演化特征[D]. 张志毅.华中农业大学 2016
[3]土壤活性组分对Pb（Ⅱ）的吸附及其化学形态模型模拟[D]. 熊娟.华中农业大学 2015
[4]几种亚稳态铁氧化物的结构、形成转化及其表面物理化学特性[D]. 王小明.华中农业大学 2015
[5]土壤活性颗粒对细菌吸附及活性影响的机制[D]. 吴华勇.华中农业大学 2015
[6]重金属与细菌—土壤活性颗粒微界面互作的分子机制[D]. 方临川.华中农业大学 2011
硕士论文
[1]不同比例的矿物—恶臭假单胞菌复合体对Cd的吸附[D]. 刘景.华中农业大学 2018
[2]矿物—细菌—腐殖酸三元复合体的形成方式对镉吸附的影响[D]. 刘容孜.华中农业大学 2016
[3]镉在蒙脱石/高岭石—枯草芽孢杆菌复合体上吸附的表面络合模型研究[D]. 王宁.华中农业大学 2015
[4]蒙脱石、针铁矿—细菌—腐殖酸复合体对Cd（II）的吸附机理初探[D]. 康凯丽.华中农业大学 2013
本文编号：3494059
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