镉和铅在2种典型土壤中的吸附及其与温度的关系_王金贵

１．５ 等 温 吸 附 模 型
Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型最早在土壤领域的应用是描述磷酸根在土壤中的吸附行为 ，在描述土壤吸附的过程中被广
泛应用，并可以较好地描述吸附和沉 淀 反 应；Ｌ 方 程 可 以 计 算 出 最 大 吸 附 量（Ｃｍａｘ），可 以 对 吸 附 剂 在 不 同 土 壤
上的吸附进行比较研究［７］。Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型是 一 个 经 验 公 式，并 具 有 较 好 的 适 应 性，一 些 不 适 合 于 Ｌａｎｇｍｕｉｒ
随 着 工 业 化 和 城 市 化 进 程 的 加 快 ，重 金 属 污 染 已 成 为 全 球 性 环 境 问 题 。 尤 其 是 重 金 属 造 成 的 土 壤 污 染 ，具 有隐蔽性、不可逆性和长期性，对整个生态系统构成巨大的潜在威胁，同时危及人 类 健 康。 镉 铅 等 重 金 属 污 染 已经给人类生活带来严重影响。镉是生物非必需、毒性最强、移动性最大的重金属 之 一，它 极 易 被 植 物 吸 收 并 积累，当积累超过一定限度时将严重影响作物产量和品 质［１］，而 且 通 过 食 物 链 富 集 危 害 人 体 健 康，被 美 国 毒 物 管理委员会（ＡＴＳＤＲ）列为第６位危及人体健康的有毒物质。目前，我国土壤铅污染比较普遍 。 ［２］ 铅 是 一 种 多 亲和性重金属，通过食物链进入机体，可使机体产生多种生理变化，最主要是影响 儿 童 的 生 长 发 育。 铅 毒 性 持 久，半衰期长达１０年，并且不易被人体排出 。 ［３］ 长期以来，很多研究都限于针对单个重金属污染物在自然 环 境 中的迁移转化和归趋以及其生态效应方面，而实际环境污染多数是由多种污染物组 成 的 复 合 体 系 污 染。 土 壤 －植物系统中重金属的循环受多种因素的制约，除了环境因子和土壤理化性质外，对 于 同 一 土 壤 来 说，重 金 属
模型的体系，Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型常可以应用，这与 Ｆ 模型适应于不均匀表面和吸附热随覆盖度增加而降低的条件
有关 。 ［８］ 镉和铅的吸附等温线用 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型描述。
Ｃｓ＝ＫｆＣｅ１／ｎ，Ｃｓ＝ＣｍａｘＫＬＣｅ／（１＋ＫＬＣｅ）
式中：Ｃｓ 为吸附量（ｍｇ／ｋｇ）；Ｃｍａｘ为最大吸附量（ｍｇ／ｋｇ）；Ｃｅ 为平衡液浓度（ｍｇ／Ｌ）；Ｋｆ，１／ｎ，ＫＬ 为吸附常数。
收 稿 日 期 ：２０１１－０７－０６ 基 金 项 目 ：公 益 性 行 业 （农 业 ）专 项 （２００９０３０１５） 作 者 简 介 ：王 金 贵 （１９８２－ ），男 ，青 海 民 和 人 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 土 壤 重 金 属 污 染 及 修 复 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｐｇ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ 通 讯 作 者 ：吕 家 珑（１９６２－），男 ，甘 肃 民 乐 人 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 土 壤 化 学 与 环 境 化 学 教 学 和 研 究 工 作 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｌｌｌ＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｄｍｉｕｍ ａｎｄ Ｌｅａｄ ｉｎ Ｔｗｏ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｓｏｉｌｓ ａｓ Ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＷＡＮＧ Ｊｉｎ－ｇｕｉ，ＬＶ Ｊｉａ－ｌｏｎｇ，ＣＡＯ Ｙｉｎｇ－ｆｅｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａ ＆ Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１２１００）
摘要：采用批平衡法研 究 我 国 ２ 种 典 型 土 壤 对 镉 和 铅 的 吸 附 特 性 及 其 与 温 度 的 关 系 ，运 用 热 力 学 参 数 ΔＧ°、ΔＨ°和 ΔＳ°解释土壤镉和铅的吸 附 机 理，并 对 镉 和 铅 在 复 合 共 存 情 况 下 的 吸 附 特 性 进 行 讨 论 。 结 果 表明，镉和铅在土壤中的吸附过程表现出明 显 的 非 线 性，镉 和 铅 的 吸 附 分 别 符 合 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 模 型 和 Ｌａｎｇ－ ｍｕｉｒ模型。塿土对镉和铅的最大吸附 量 和 最 大 缓 冲 容 量 均 大 于 红 壤 的 。 镉 和 铅 复 合 共 存 时，２ 种 重 金 属 的吸附均受到抑制；温度升高时，镉和铅对彼此的抑制作用 有 所 减 弱。 吉 布 斯 自 由 能 变 ΔＧ°为 负 值 表 明 镉 和铅吸附反应为自发反应；ΔＨ°为正值表明土壤对镉和铅 的 吸 附 为 吸 热 反 应 。 单 一 存 在 时，镉 在 塿 土 和 红 壤中的主要作用力分别为氢键和范德华力；而 铅 在 塿 土 和 红 壤 中 的 主 要 作 用 力 均 为 范 德 华 力 。 复 合 共 存 时 ，镉 和 铅 的 主 要 作 用 力 发 生 改 变 。 关 键 词 ：镉 ；铅 ；吸 附 ；温 度 中 图 分 类 号 ：Ｓ１５３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００９－２２４２（２０１１）０６－０２５４－０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｔｃｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｄｍｉｕｍ （Ｃｄ）ａｎｄ ｌｅａｄ （Ｐｂ）ｉｎ ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｏｉｌｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ （２５ ℃ ａｎｄ ４０ ℃）．Ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｐａ－ ｒａｍｅｔｅｒｓ，ｌｉｋｅΔＧ°，ΔＨ°ａｎｄΔＳ°ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃ－ ｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｕｒｖｅｓ ｔｈａｔ ｆｉｔｔｅｄ ｔｈｅ Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｍｏｄｅｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｕｆｆｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｕ ｓｏｉｌ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｒｅｄ ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ ｃｏ－ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ－ ｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ΔＧ°ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｗａｓ ａ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅΔＨ°ｖａｌｕｅｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｗａｓ ａｎ ｅｎｄｏｔｈｅｒｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｗａｓ ｓｉｎｇｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｄ，ｔｈｅ Ｈ ｂｏｎｄｓ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｌｏｕ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｅｄ ｓｏｉｌ，ａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｂ，ｔｈｅ Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｔｗｏ ｓｏｉｌｓ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｄ ａｎｄ Ｐｂ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｄｍｉｕｍ；ｌｅａｄ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
吸 附 前 后 镉 （或 铅 ）浓 度 的 差 值 计 算 其 吸 附 量 。
１．４ 镉 和 铅 竞 争 吸 附 复合共存时，铅对镉吸附特性的影响实验：镉系列浓度溶液中分别含有浓度为 ２００，５００，８００ ｍｇ／Ｌ 的铅离
子。镉对铅吸附特性的影响实验：铅系列 浓 度 溶 液 中 分 别 含 有 浓 度 为 １０，６０，１００ ｍｇ／Ｌ 的 镉 离 子。 设 定 实 验 温 度 为 （２５±０．５）℃ 和 （４０±０．５）℃ 。
第６期
王金贵等：镉和铅在２种典型土壤中的吸附及其与温度的关系
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复合污染中单个元素的植物效应亦受控于其他共存元素［４］，而这方面的研究报道相对较少。因此，对重金 属 复
合污染的研究十分必要。本试验对镉和铅在２种典型土壤中的吸附特性进行研究，旨 在 探 究 不 同 温 度 下 镉 和
铅在塿土和红壤中的吸附特性及在不同温度条件下两者复合共存时的吸附特点及热力学特征。
溶 液 ５，１０，２０，４０，６０，８０，１００ ｍｇ／Ｌ；铅 溶 液 浓 度 为 ２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ ｍｇ／Ｌ，备 用 。
１．３ 吸 附 实 验 实验采用批平衡法，先前的研究 表 ［６］ 明镉和铅在２４ｈ 内 均 能 达 到 吸 附 平 衡，所 以 本 试 验 设 定 吸 附 时 间 均
１ 材料与方法
１．１ 土 壤 理 化 性 质 供试土壤塿土和红壤分别采自陕西
杨凌 （Ｅ１０８°００′，Ｎ３４°１７′）和 江 西 鹰 潭
土壤 类型 塿土 红壤
表 １ 供 试 土 壤 理 化 性 质
ＣａＣＯ３／有机质含量／ ＣＥＣｏｌ·ｋｇ－１） ０．０５～０．００１ｍｍ ＜０．００１ｍｍ
电位法（水／土＝２．５∶１）测定；有机质、碳酸钙和阳离子交换量采用常规方法 测 ［５］ 定；机械组成用吸管法。
１．２ 镉 、铅 溶 液 配 制 Ｃｄ（ＮＯ３）２、Ｐｂ（ＮＯ３）２ 和 ＮａＮＯ３ 均为 分 析 纯 试 剂。 配 制 以 ０．０１ ｍｏｌ／Ｌ ＮａＮＯ３ 为 背 景 电 解 质 溶 液 的 镉
２ 结果与分析
表２ Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型拟合镉吸附所得参数
２．１ 镉 和 铅 的 吸 附 特 征 镉和铅在塿土和红壤中的等温吸附实验结果表
明，Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 模 型 和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ模 型 相 比，Ｆｒｅｕｎ－
第 ２５ 卷 第 ６ 期 ２０１１ 年 １２ 月
水土保持学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２０１１
镉和铅在２种典型土壤中的吸附及其与温度的关系
王金贵，吕家珑，曹莹菲
（西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌７１２１００）
为２４ｈ。实验在土壤原始 ｐＨ 下进行。设定实验温度为（２５±０．５）℃ 和（４０±０．５）℃。称 取 １．０００ｇ土 样 置 于经酸泡、去离子水洗干净的１００ｍｌ塑料离心管，分别加入２５ｍｌ含有０．０１ｍｏｌ／Ｌ ＮａＮＯ３ 电解质溶液的不同 浓 度 的 镉 （或 铅 ）溶 液 ，恒 温 振 荡 （转 速 ２００ｒ／ｍｉｎ）２４ｈ 后 ，以 转 速 ４ ０００ｒ／ｍｉｎ 离 心 ３０ ｍｉｎ，用 定 量 滤 纸 （ＧＢ／Ｔ １９１４－９３）过滤离心管中的上清液，过 滤 后 的 溶 液 用 原 子 吸 收 分 光 光 度 计（ＡＡＳ）测 定 镉 （或 铅）的 浓 度。 根 据
８．０７ ８．４８ １７．３６
２２．３７
７６．５６
２０．４２
５．６８ －
９．７９
８．７
４８．４６
３１．０５
（Ｅ１１６°４２′，Ｎ２８°０６′）的 表 层 （０－２０ｃｍ） 注：“－”表示未检测到。
土壤。土壤经自然风干并除去草根、石块等杂物，过１ｍｍ 尼龙筛，装瓶备用。其理化性质见表１。土壤 ｐＨ 用