本文關(guān)鍵詞：鐵氧化物及其胡敏酸復合體對磷酸鹽的吸附研究

  更多相關(guān)文章： 針鐵礦 赤鐵礦 水鐵礦 胡敏酸 Zeta電位 衰減全反射紅外光譜

【摘要】：磷是一種重要的生命元素,也是造成水體富營養(yǎng)化的重要原因。磷素進入土壤或水體中,常與有機物、礦物等結(jié)合在一起,很少以游離態(tài)存在。土壤中的礦物質(zhì)和有機質(zhì)通常通過一定作用力形成有機無機復合體,是土壤的核心組成單元。胡敏酸作為土壤有機質(zhì)的重要組成部分,廣泛存在環(huán)境中。雖然對磷酸鹽在鐵氧化物表面的吸附以及胡敏酸與磷酸鹽在礦物表面的相互作用已有大量研究,但對磷酸鹽在胡敏酸-鐵氧化物復合體表面的吸附研究卻較少。本文通過胡敏酸與人工合成針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦之間以吸附包被或共沉淀方式制備有機無機復合體,并對復合體進行表征,利用等溫吸附和動力學方法探討了磷酸鹽在復合體表面的吸附規(guī)律,分析老化時間、p H和電解質(zhì)強度對磷酸鹽吸附的影響,結(jié)合Zeta和衰減全反射紅外光譜技術(shù)(ATR-FTIR)探討磷酸鹽在復合體表面的吸附過程和機理,以揭示磷酸鹽在胡敏酸-鐵氧化物復合體表面的作用機理以及三相體系間的作用機制,為闡明磷在固液界面的化學特征和土壤磷素科學管理提供理論依據(jù)。主要結(jié)果如下:(1)胡敏酸主要通過化學作用吸附在針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦表面,形成胡敏酸-包被鐵氧化物復合體,且水鐵礦對胡敏酸的吸附量最大,赤鐵礦最小。在水鐵礦-吸附態(tài)胡敏酸復合體(FH-c HA)、針鐵礦復合體(GH)和赤鐵礦復合體(HH)的比表面和IEP都明顯低于對應氧化鐵礦物。同時胡敏酸在針鐵礦和赤鐵礦表面的包被增強礦物的酸堿緩沖能力,提供更多的表面羥基位點。在水鐵礦和FH-c HA復合體中,胡敏酸的吸附減少了水鐵礦表面的吸附位點。(2)將不等量的胡敏酸通過與鐵離子共沉淀的方法合成胡敏酸共沉淀態(tài)復合體,分別為含低量胡敏酸復合體(FH-HA1)和含高量胡敏酸復合體(FH-HA2),對二者進行XRD鑒定認為都是二線水鐵礦,且復合體中的含碳量隨著胡敏酸加入量的增加而增加,但復合體的結(jié)晶度卻隨之減弱。同時共沉淀形成的復合體IEP和SSA也隨含碳量的增加而逐漸減小,在共沉淀過程中胡敏酸掩蔽礦物表面的部分位點。(3)磷酸鹽在純礦物和胡敏酸吸附態(tài)復合體以及胡敏酸沉淀態(tài)復合體表面的等溫吸附曲線可用Langmuir和Freundlich方程擬合,復合體對磷的吸附量和吸附強度均小于對應的針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦;用二級動力學方程可以更好地描述磷酸鹽在復合體表面的吸附,表明磷在復合體表面的吸附是個化學過程。胡敏酸的存在降低了磷酸鹽在復合體表面的初始和平均吸附速率,減緩磷酸鹽在復合體表面的吸附。(4)電解質(zhì)強度的改變并不影響磷酸鹽在針鐵礦或赤鐵礦表面的吸附,卻可以促進磷酸鹽在針鐵礦復合體和赤鐵礦復合體表面的吸附,甚至在高電解質(zhì)濃度下,磷酸鹽在p H梯度內(nèi)出現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象。在水鐵礦-吸附態(tài)胡敏酸復合體系中,在低p H條件下電解質(zhì)強度的變化對磷吸附的影響較小,而高p H條件下,電解質(zhì)強度的增加促進磷的吸附。在水鐵礦-胡敏酸沉淀態(tài)復合體中,磷在FH-HA1中,高p H時,電解質(zhì)強度的增加促進磷吸附;p H較低時,電解質(zhì)的效應減弱。在FH-HA2復合體中,在p H高時,增強電解質(zhì)促進磷的吸附;而在低p H時,電解質(zhì)強度的增加卻降低磷酸鹽的吸附。(5)針鐵礦和赤鐵礦表面的Zeta電位變化與磷吸附量具有較好的線性負相關(guān);而在針鐵礦-胡敏酸和赤鐵礦-胡敏酸復合體中,體系Zeta電位值較低,且不隨磷吸附量的變化而變化。磷在水鐵礦及其胡敏酸吸附態(tài)復合體表面的吸附降低其表面電勢,且復合體中Zeta電位較低;在p H較低時Zeta電位隨著磷酸鹽吸附量的增加而減小的過程中出現(xiàn)拐點;而在p H8.5時,Zeta電位基本不變。在FH-HA體系中,磷酸鹽的吸附也降低了FH-HA復合體的Zeta電位,且Zeta電位與磷酸鹽吸附之間存在顯著負相關(guān)。(6)通過ATR-FTIR可知,與對應的純礦物峰強相比,復合體的圖譜峰強較弱,表明磷在復合體中吸附量較低,且峰強隨反應時間的延長而增強。在針鐵礦和赤鐵礦以及對應的復合體中,胡敏酸在酸性條件下促使磷在針鐵礦表面形成的雙齒絡(luò)合物向單齒絡(luò)合物轉(zhuǎn)化,胡敏酸可能通過氫鍵影響Fe-P絡(luò)合物的質(zhì)子化狀態(tài)。在水鐵礦-吸附態(tài)胡敏酸復合體中,胡敏酸的存在不改變磷在水鐵礦復合體表面的存在形態(tài),但在酸性條件阻礙磷的非質(zhì)子化雙齒絡(luò)合物形成。而磷吸附在水鐵礦-胡敏酸共沉淀的復合體系中(FH-HA1和FH-HA2),p H4.5時磷酸鹽以質(zhì)子化和非質(zhì)子化雙齒配位絡(luò)合物的形式吸附在FH-HA1表面,而當p H8.5時磷主要以非質(zhì)子化雙齒配位存在,與在水鐵礦表面吸附的形態(tài)基本一致,表明少量胡敏酸的參與不改變磷酸鹽的結(jié)合狀態(tài)。FH-HA2吸附磷酸鹽時,磷以質(zhì)子化和非質(zhì)子化的雙齒絡(luò)合物的混合物形式存在。但在p H 8.5,胡敏酸的存在促進質(zhì)子化雙齒配位絡(luò)合物的形成。胡敏酸分子可能通過氫鍵與非質(zhì)子化的絡(luò)合物結(jié)合成,影響質(zhì)子化絡(luò)合的分子結(jié)構(gòu),推測磷-胡敏酸-鐵氧化物三相體系存在的可能性。
【關(guān)鍵詞】：針鐵礦 赤鐵礦 水鐵礦 胡敏酸 Zeta電位 衰減全反射紅外光譜
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S153
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 前言12-40
• 1.1 磷在土壤及土壤組分中的吸附固定13-21
• 1.1.1 磷在層狀硅酸鹽表面的吸附13
• 1.1.2 磷在鐵氧化物表面的吸附13-18
• 1.1.3 磷與腐殖質(zhì)的結(jié)合18
• 1.1.4 磷在土壤中的吸附18-21
• 1.2 影響磷吸附的環(huán)境因素21-26
• 1.2.1 pH21-22
• 1.2.2 電解質(zhì)種類和濃度22-23
• 1.2.3 腐殖酸23-25
• 1.2.4 離子配體25-26
• 1.3 有機-無機復合體26-34
• 1.3.1 有機無機復合體結(jié)合機理27-31
• 1.3.2 復合體性質(zhì)及對周圍離子的影響31-34
• 1.4 儀器分析技術(shù)在磷吸附研究中的應用34-38
• 1.4.1 Zeta電位34-35
• 1.4.2 衰減全反射（ATR-FTIR）紅外光譜35-38
• 1.5 研究內(nèi)容及目的意義38-40
• 第二章 晶型鐵氧化物及胡敏酸包被態(tài)復合體對磷的吸附40-82
• 2.1 引言40-41
• 2.2 材料與方法41-48
• 2.2.1 材料的制備41-42
• 2.2.2 試驗方法42-46
• 2.2.3 數(shù)據(jù)處理46-48
• 2.3 結(jié)果與分析48-77
• 2.3.1 純礦物與復合體的性質(zhì)表征48-49
• 2.3.2 純礦物與復合體的酸堿滴定49-52
• 2.3.3 不同pH下磷素在鐵氧化物-胡敏酸復合體表面的等溫吸附52-54
• 2.3.4 不同pH下磷素的吸附動力學54-57
• 2.3.5 pH和離子強度對磷素吸附的影響57-58
• 2.3.6 磷在復合體表面吸附時體系Zeta電位的變化58-60
• 2.3.7 不同pH下磷酸根的ATR-FTIR圖譜60-62
• 2.3.8 不同pH下磷在鐵氧化物及復合體表面吸附的ATR-FTIR62-64
• 2.3.9 不同反應時間磷素在復合體表面吸附的ATR-FTIR64-74
• 2.3.10 磷的存在形態(tài)變化74-77
• 2.4 討論77-80
• 2.5 小結(jié)80-82
• 第三章 水鐵礦及胡敏酸包被態(tài)復合體對磷的吸附82-116
• 3.1 引言82-83
• 3.2 材料與方法83-86
• 3.2.1 材料的制備83
• 3.2.2 水鐵礦（FH）及FH-cHA復合體基本性質(zhì)的測定83
• 3.2.3 磷在水鐵礦及FH-cHA復合體表面的吸附試驗83-84
• 3.2.4 磷吸附前后體系Zeta電位的測定84-85
• 3.2.5 ATR-FTIR的測定85
• 3.2.6 數(shù)據(jù)處理85-86
• 3.3 結(jié)果與討論86-114
• 3.3.1 水鐵礦以及復合體的表征86-91
• 3.3.2 磷在水鐵礦及包被態(tài)復合體表面的等溫吸附91-95
• 3.3.3 磷在水鐵礦及包被態(tài)復合體表面的動力學吸附95-99
• 3.3.4 pH和電解質(zhì)強度99-102
• 3.3.5 Zeta電位變化102-106
• 3.3.6 磷酸鹽在水鐵礦及其胡敏酸吸附復合體表面吸附的ATR-FTIR106-113
• 3.3.7 磷形態(tài)隨時間的變化113-114
• 3.4 小結(jié)114-116
• 第四章 水鐵礦及胡敏酸沉淀態(tài)復合體對磷的吸附116-154
• 4.1 引言116-117
• 4.2 材料與方法117-118
• 4.2.1 材料的制備117
• 4.2.2 礦物的表征117
• 4.2.3 吸附試驗過程117
• 4.2.4 Zeta電位的測定117-118
• 4.2.5 ATR-FTIR的測定118
• 4.2.6 數(shù)據(jù)處理118
• 4.3 結(jié)果與討論118-153
• 4.3.0 水鐵礦與水鐵礦-胡敏酸復合體的碳含量，，等電點（IEP）、比表面（SSA）以及覆蓋率118-119
• 4.3.1 水鐵礦與復合體的XRD圖譜119-120
• 4.3.2 水鐵礦與復合體的紅外圖譜120-122
• 4.3.3 純礦物與復合體酸堿滴定122-125
• 4.3.4 等溫吸附125-130
• 4.3.5 動力學吸附130-136
• 4.3.6 pH和電解質(zhì)強度136-140
• 4.3.7 Zeta電位試驗140-145
• 4.3.8 實時動力學ATR-FTIR145-151
• 4.3.9 反應時間對磷形態(tài)的影響151-153
• 4.4 結(jié)論153-154
• 第五章 全文結(jié)論154-157
• 5.1 主要結(jié)論154-156
• 5.2 創(chuàng)新點156
• 5.3 研究展望156-157
• 參考文獻157-176
• 附錄176-177
• 致謝177

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 韓旭;吳東洋;王新剛;;不同土壤對磷的吸附特性研究[J];現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技;2011年20期

2 王丹麗,王恩德;針鐵礦及腐殖質(zhì)對水體重金屬離子的吸附作用[J];安全與環(huán)境學報;2001年04期

3 王小明;楊凱光;孫世發(fā);徐劍;李耀光;劉凡;馮雄漢;;水鐵礦的結(jié)構(gòu)、組成及環(huán)境地球化學行為[J];地學前緣;2011年02期

4 徐仁扣;肖雙成;趙安珍;;基于Zeta電位的水稻土吸附Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)能力的比較[J];環(huán)境化學;2008年06期

5 王浩宇;蘇本生;黃丹;崔曉姣;竺建榮;;好氧污泥顆�；^程中Zeta電位與EPS的變化特性[J];環(huán)境科學;2012年05期

6 楊敏;豆小敏;張昱;;固液界面吸附機制與模型——“環(huán)境水質(zhì)學前沿專欄”序言[J];環(huán)境科學學報;2006年10期

7 劉韜;齊國輔;高海鷹;;滇池沉積物磷形態(tài)的水平分布特征[J];安全與環(huán)境工程;2010年06期

8 劉凡,賀紀正,李學垣,徐鳳琳,何慧,王典芬;磷溶液濃度與針鐵礦表面吸附磷的化學狀態(tài)[J];科學通報;1994年21期

9 徐玉芬;吳平霄;黨志;;水溶性有機質(zhì)對土壤中污染物環(huán)境行為影響的研究進展[J];礦物巖石地球化學通報;2007年03期

10 王永;徐仁扣;;可變電荷土壤對水體中磷酸根的吸附去除作用[J];生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報;2008年04期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 劉麗;長期定位施肥對設(shè)施蔬菜栽培土壤磷素形態(tài)及釋放特征的影響研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2009年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王琦;土壤腐殖酸對氧化鐵形成轉(zhuǎn)化的影響[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2012年

本文編號：817790