有机物/磷酸盐多组分电解质水溶液与铁系氧化物的表面络合反应机制和模型研究

Natural Organics, phosphate and iron oxides are stable compound in nature, which bring two basic scientific issues worth studying, including the mechanism of surface complexation reactions between multicomponent electrolyte solutions and Iron oxides, and the effect mechanism of organic functional groups on the translocation and transformation of phosphate in water. In our subject, aiming at the multicomponent and two-phase system composed of organic with varying functional groups, phosphate and iron oxides, three surface complexation models(DLM,TLM and CD-MUSIC) will be used to study the surface characters of different iron oxides, find the species of organic with varying functional groups and phosphate on iron oxides surface and inverse the equilibrium constants of surface complexation reactions between organic functional groups and iron oxides. Three research objectives are expected. Firstly, the surface character parameters variation following external conditions would be concluded as the mathematical relationship. Secondly, the speciation file of organic and phosphate on iron oxides surface would be added into surface complexation models. Thirdly, the surface complexation reaction between organic and iron oxides in multicomponent electrolyte system would be brought into the thermodynamic model by improving the equilibrium constants database of surface complexation models.

天然有机物、磷酸盐、铁系氧化物都是自然界中稳定存在的化合物，与之相关的两个科学问题需要研究和总结，分别是多组分电解质水溶液与铁系氧化物的表面络合反应机制问题；有机物官能团对磷酸盐在水体中迁移转化过程的影响机理。本课题采用三种表面络合反应模型（扩散双电层模型，三电层模型，电荷分布多位络合模型），针对有机物/磷酸盐与铁系氧化物组成的多组分两相体系，研究多条件下不同铁系氧化物的表面性质；探索不同官能团有机物、磷酸盐在铁系氧化物的表面赋存形态；反演建立有机物官能团与铁系氧化物的表面络合反应平衡常数。通过以上研究，总结不同铁系氧化物表面形态参数随外部条件的变化规律，并建立与之对应的数学关系式，形成表面络合反应模型数据库中有机物/磷酸盐在铁系氧化物表面的赋存形态单，将有机物与铁系氧化物的表面吸附作用纳入多相多组分电解质水溶液体系的热力学模型中,完善相关表面络合模型的平衡常数数据库。

研究课题针对铁系氧化物（AFO）/磷酸盐/有机物的多元两相反应体系，循序渐进地研究了AFO一元体系，AFO/磷酸盐二元体系，AFO/磷酸跟/有机物三元体系，对其中的配合反应、沉淀溶解反应以及表面络合作用反应进行了深入研究，剖析了各种反应的动力学和热力学过程，明确了三者的交互作用机理，并选取了合理的数学模型模拟了反应过程，完善了相关数据库。. 研究在四个方面取得了一定成果：1. 针对AFO一元体系，研究了AFO的表面性质，研究总结了AFO的比表面积、电荷性能等指标随其形成龄的变化规律，并建立了AFO老化动力学方程式；2. 针对AFO/磷酸盐二元体系，利用竞争反应线性相关方法测定了FePO4(s)的生成速率常数。使用扩散双电层模型模拟量化了AFO形成龄对磷酸根吸附的影响，同时使用更加贴近机理的动力学模型模拟了AFO吸附磷酸根的动力学过程；3.针对AFO/磷酸跟/有机物三元体系，使用了半经验的扩散双电层模型（DLM）和基于反应机理的电荷分布多位络合模型（CD-MUSIC）分别模拟了磺基水杨酸、海藻酸盐、富里酸、腐植酸、可溶性微生物分泌物等有机物对AFO吸附磷酸根的影响。并使用DLM和CD-MUSIC模型模拟了两大官能团类别的有机物对AFO吸附磷酸跟的影响。4. 在研究主线过程中，还发现并校准了传统ferrozine检测亚铁离子方法的误差，并将研究过程采用的固液表面络合反应模型广泛应用到了水处理过程的模拟和环境材料的开发过程中，取得较好成效。. 通过以上研究，为理解AFO/磷酸跟/有机物在自然界中的迁移转化规律提供了理论和数据支持；通过与之相关的数学模型的开发和应用，为正确预测自然水体和污水中铁和磷酸根、有机物浓度的变化提供了可靠的数学方法，对给水和污水处理工程有着重要的指导意义。