金属同晶替代对土壤复合胶体吸附铅离子的作用机制

In natural environment, the isomorphous substitution of mineral colloid with metal elements in the surrounding environment is a ubiquitous phenomenon. Isomorphous substitution in mineral colloid can significantly change its crystal structure and surface chemical properties, leading to affect the adsorption of heavy metal on compound colloid contain goethite. However, the study on this issue is scare. In this project, the heavy metal Pb and typical compound colloid composed of goethite and soil humus were selected as research objects, and Al and Mn as substitute elements. Firstly, The effect of metal substitution on Pb(II) adsorption capacity of compound colloid was studied through isothermal adsorption experiments. Further, the effect of environmental facrors on Pb(II) sorption on metal-substitution compound colloid were clarified by researching on different conditions inculding metal content, Pb(II) concentration, humus concentration and pH, in order to establish established the dynamic correlation between them. The complexation morphology and distribution features of Pb(II) on the compound colloid surface were studied by EXAFS. Finally, the result of EXAFS combined with colloidal property revealed the mechanism of metal isomorphous substitution effect on heavy metal sorption on compound colloid. The present project aimed at more accurate understanding of the transport and transformation of heavy metal in soil, and provide technical support for dealing with soil heavy metal pollution.

在自然界中，土壤无机胶体与周围环境中金属元素的同晶替代作用是一种广泛存在的现象。同晶替代改变了土壤无机胶体的晶体结构和理化性质，进而影响由无机胶体构成的复合胶体对重金属的络合吸附，目前针对这种影响的研究工作甚少。项目选择典型针铁矿-腐殖质复合胶体和重金属铅作为研究对象，金属铝和锰作为替代元素，通过等温吸附实验，研究在不同环境条件下（金属替代量、铅离子浓度、腐殖质浓度和pH）金属同晶替代对复合胶体吸附铅离子能力的影响，并厘清环境因子对金属替代复合胶体吸附铅离子的调控作用，建立环境因子与金属替代复合胶体吸附铅离子的动态关联；进一步应用光谱学技术（EXAFS），研究铅离子在不同环境条件下金属替代复合胶体表面的络合形态和分布特征，结合胶体特性揭示金属同晶替代对复合胶体吸附铅离子的作用机制。项目旨在深入了解重金属在土壤中的迁移转化情况，同时金属替代复合胶体可以为治理土壤重金属污染提供技术支撑。

在土壤中无机胶体与周围环境金属元素的同晶替代作用是一种普遍存在的情况，同晶替代会改变无机胶体的晶体结构和理化性质，影响无机胶体对有机胶体的吸附行为，进而改变由二者构成的复合胶体与重金属的相互作用，对土壤中有机碳和重金属的环境行为产生影响。本项目通过研究土壤中金属同晶替代针铁矿对有机质的吸附行为，进而探究由二者构成的复合胶体与重金属的相互作用，揭示了同晶替代对土壤复合胶体吸附重金属的作用机制。结果表明：（1）同晶替代后单位质量的针铁矿样本对溶解性有机质的吸附量明显增加，这归因于其比表面积增加，但是单位比表面积的金属替代针铁矿吸附溶解性有机质的量会减少，这是因为同晶替代使针铁矿表面正电荷减少，降低了矿物胶体与有机胶体之间的电性吸附，H键、疏水性相互作用、络合反应和电性吸附是同晶替代针铁矿吸附有机胶体的主要机制；（2）同晶替代使得复合胶体对Pb(II)的吸附能力增强，这一方面是因为同晶替代增加了矿物胶体的比表面积，使其可以吸附更多的有机质和重金属离子，另一方面是因为同晶替代降低了矿物胶体的表面正电荷数量，减弱了复合胶体与带正电的重金属离子之间的电性排斥；（3）对不同环境条件下复合胶体吸附Pb(II)的实验表明，pH是影响胶体吸附Pb(II)的主要环境因素，盐度的变化对胶体吸附Pb(II)没有明显影响，这和Pb(II)在复合胶体上形成内球络合物相关；（4）对Pb(II)在同晶替代复合胶体表面分布和络合形态的研究表明，有机胶体的加入改变了Pb(II)在胶体表面的分布特征，在Pb(II)浓度较低时，Pb的形态分为矿物-有机质-Pb、矿物-Pb和矿物-Pb-有机质，而在Pb(II)浓度较高时，前两者是Pb在复合胶体表面的主要形态。本研究的结果一方面厘清了同晶替代对土壤复合胶体吸附Pb离子的作用机制，另一方面也证明作为一种环境友好型材料，同晶替代的无机胶体和由其构成的复合胶体在修复土壤重金属污染方面有潜在利用价值。