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1、土壤对铜的吸附11环科1陈浩翔1土壤中重金属污染主要来自于工业废水、农药、污泥和大气降尘等。过量的 载金属可引起植物的生理功能紊乱、营养失调。由于重金属不能被土壤中的微主 物所降解，因此可在土壤中不断地积累，也可为植物所富集并通过食物链危害气 体健康。重金属在土壤中的迁移转化主要包括吸附作用、配合作用、沉淀溶解作用和氧化 还原作用。其中又以吸附作用最为重要。铜是植物生长所必不可少的微量营养元素，但含量过多也会使植物中毒。土壤的 铜污染主要是来自于铜矿开采和冶炼过程。进人到土壤中的铜会被土壤中的粘土 矿物微粒和有机质所吸附，其吸附能力的大小将影响铜在土壤中的迁移转化。因 此，研究土壤对铜的吸附作
2、用及其影响因素具有非常重要的意义。一、实验目的1. 了解影响土壤对铜吸附作用的有关因素。2. 学会建立吸附等温式的方法。二、实验原理不同土壤对铜的吸附能力不同，同一种土壤在不同条件下对铜的吸附能力也有很 大差别。而对吸附影响比较大的两种因素是土壤的组成和pH.。为此，本实验通 过向土壤中添加一定数量的腐殖质和调节待吸附铜溶液的pH，分别测定上述两 种因素对土壤吸附铜的影响。土壤对铜的吸附可采用Freundlich吸附等温式来描述。即：Q = Kp 1/n式中：Q土壤对铜的吸附量，mg/g；p 吸附达平衡时溶液中铜的浓度，mg/L；K，n经验常数，其数值与离子种类、吸附剂性质及温度等有关。将Fr
3、eundlich吸附等温式两边取对数，可得：1g Q = lgK + Llgpn以1gQ对1gp作图可求得常数K和n，将K、n代人Freundlich吸附等温式，便 可确定该条件下的Freundlich吸附等温式方程，由此可确定吸附量(Q)和平衡 浓度(p)之间的函数关系。土壤对铜的吸附还可采用Langmuir等温吸附方程来描述。即Langmuir吸附方程式中Q-吸附量mg/gq -饱和吸附量mg/gp：吸附平衡时离子浓度mg/lk -常数等式两边取倒数，有1111 =+ Q q k p q11作Q-P，可得常数q=七，即可得到该温度下Langmuir吸附方程。三、仪器和试剂1. 仪器(1)
4、原子吸收分光光度计。(2) 恒温振荡器。(3) 离心机。(4) 酸度计。(5) 复合电极。(6) 容量瓶：50 mL，250 mL，500 mL。(7) 聚乙烯塑料瓶：50 mL。2. 试剂(1)二氯化钙溶液(0.01 mol/L):称取1.5 g CaC12 - 2H2O溶于1L水中。 铜标准溶液(1000 mg/L)：将0.5000 g金属铜(99.9%)溶解于30 mL l:1HNO3中，用水定容至500 mL。(3) 50 mg/L铜标准溶液：吸取25 mL 1000 mg/L铜标准溶液于500 mL容量瓶中， 加水定至刻度。(4) 硫酸溶液：0.5 mol/L。(5) 氢氧化钠溶液：
5、1 mol/L。(6) 铜标准系列溶液(pH=2.5)：分别吸取 10.00、15.00、20.00、25.00、30.00 mL 的铜标准溶液于250 mL烧杯中，加0.01 mol/L CaCl2溶液，稀释至240 mL,先 用0.5 mol/L H2SO4调节pH=2,再以1 mol/L NaOH溶液调节pH = 2.5，将此溶 液移入250 mL容量瓶中，用0.01 mol/L CaCl2溶液定容。该标准系列溶液浓度为 40.00、60.00、80.00、100.00、120.00 mg/L。按同样方法，配制pH= 5.5的铜标准系列溶液。(7) 腐殖酸(生化试剂)。(8) 1号土壤样
6、品：将新采集的土壤样品经过风干、磨碎，过0.15 mm (100目) 筛后装瓶备用。(9) 2号土壤样品：取1号土壤样品300g，加人腐殖酸30g，磨碎，过0.15mm (100 目)筛后装瓶备用。四、实验步骤1. 标准曲线的绘制吸取 50 mg/L 的铜标准溶液 0.00、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL 分别置于50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L的H2SO4，用水定容，其浓度分别 为 0、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mg/L。然后在原子吸收分光光 度计上测定吸光度。根据吸光度与浓度的关系绘制标
7、准曲线。原子吸收测定条件：波长：325. 0 nm；灯电流1 mA；光谱通带：20；增益粗调: 0；燃气：乙炔；助燃气：空气；火焰类型：氧化型。2. 土壤对铜的吸附平衡时间的测定(1)分别称取1、2号土壤样品各6份，每份1g于50 mL聚乙烯塑料瓶中。(2)向每份样品中各加人50 mg/L铜标准溶液50 mL。(3 )将上述样品在室温下进行振荡，分别在振荡 0min,15min,30min,45min,60min,90min 后，过滤，迅速吸取上层清液 10 mL 于 50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L的H2SO4溶液，用水定容后，用原子吸收分光 光度计测定吸光度。以上内容分别用pH
8、为2.5和5.5的100 mg/L的铜标准溶液 平行操作。根据实验数据绘制溶液中铜浓度对反应时间的关系曲线，以确定吸附 平衡所需时间。3. 土壤对铜的吸附量的测定(1)分别称取1、2号土壤样品各10份，每份1g,分别置于50mL聚乙烯塑料瓶 中。 依次加入 50 ml pH 为 2.5 和 5.5、浓度为 40.00、60.00、80.00、100.00、120.00mg /L铜标准系列溶液，盖上瓶塞后置于恒温振荡器上震荡45min。 振荡达平衡后，过滤取10 mL于50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L的H2SO4溶液，用水定容后，用原子吸收分光光度计测定吸光度。(4)剩余土壤浑浊液用
9、酸度计测定pH。五、数据处理1. 土壤对铜的吸附量可通过下式计算：Q = (P-P0)k1000W式中：Q土壤对铜的吸附量，mg/g；P 0溶液中铜的起始浓度，mg /L；P 溶液中铜的平衡浓度，mg/L；V溶液的体积，mL；W烘干土样重量，g。由此方程可计算出不同平衡浓度下土壤对铜的吸附量。2. 建立土壤对铜的吸附等温线以吸附量(Q)对浓度(P )作图即可制得室温下不同pH条件下土壤对铜的吸附等 温线。3. 建立Freundlich方程以1g Q对1gp作图，根据所得直线的斜率和截距可求得两个常数K和n，由此可确定室温时不同pH条件下不同土壤样品对铜吸附的Freundlich方程。4. 建立
10、Langmuir等温吸附方程作1-1，可得常数g、k，即可得到该温度下Langmuir吸附方程。Q pm 1实验数据记录表11、2号土时间-吸附量记录时间/min015304560901 测 mg/l4.86954.16373.96493.82454.00253.61962 测 mg/l3.59911.98401.41101.17061.13391.11731 mg/l24.347520.818519.824519.122520.012518.09802 mg/l17.99559.92007.05505.85305.66955.5865Q1 mg/g1.28261.45911.50881.54
11、391.49941.5951Q2 mg/l1.60022.00402.14732.20742.21652.2207号土高 25.0%-38.3%。表2 PH=3.5不同铜离子浓度土壤吸附量ph 3.5Cu浓度mg/l4060801001201 测 mg/l3.55475.50369.127914.197017.95702 测 9 mg/l0.75802.52977.51549.691913.16901 mg/l17.773527.518045.639570.985089.78502 mg/l3.790012.648537.577048.459565.8450Q1 mg/g1.11131.624
12、11.71801.45081.5108Q2 mg/l1.81052.36762.12122.57702.7078lgC11.24981.43961.65931.85121.9532lgc20.57861.10201.57491.68541.81851/C10.05630.03630.02190.01410.01111/c20.26390.07910.02660.02060.0152logQl0.04580.21060.23500.16160.1792logQ20.25780.37430.32660.41110.43261/Q10.89980.61570.58210.68930.66191/Q2
13、0.55230.42240.47140.38800.36935 22 - o o5 1 g 1 o - o - o o22.211.21.41.61.8log C mg/lph3.5 2号土 F型曲线y = 0.1145x + 0.2057R2 = 0.69271.11.3log C mg/l1.51.71.9图1-图4PH=3.5不同铜离子浓度土壤吸附量曲线Q g?ph5.5 1号土 F型曲线表3 PH=5.5不同铜离子浓度土壤吸附量ph 5.5Cu浓度mg/l4060801001201 测 mg/l1.21731.33756.41857.11209.54692 测 mg/l0.32710.
14、16183.40486.59419.78981 mg/l6.08656.687532.092535.560047.73452 mg/l1.63550.809017.024032.970548.9490Q1 mg/g1.69572.66562.39543.22203.6133Q2 mg/l1.91822.95963.14883.35153.5526lgC10.78440.82531.50641.55101.6788lgc20.2137null1.23111.51811.68971/C10.16430.14950.03120.02810.02091/c20.61141.23610.05870.03
15、030.0204logQ10.22930.42580.37940.50810.5579logQ20.2829null0.49810.52520.55051/Q10.58970.37510.41750.31040.27681/Q20.52130.33790.31760.29840.28150.60000.50000.40000.30000.20000.10000.00000.50000.70000.90001.10001.30001.50001.70001.9000log c mg/l-厂y = 1.2345x + 0.2966111R2 = 0.52111111ph5.5 1号土 L型曲线0.
16、70001 0.6000-0.5000g 0.4000(0.3000Q 0.2000Q 0.10000.00000.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 0.1200 0.1400 0.1600 0.18001/C (mg/l)-1ph5.5 2号土 F型曲线0.70000.60000.50000.40000.30000.20000.10000.00000.00001.00002.00003.00004.00005.00006.0000logC mg/lph5.5 2号土 L型曲线0.60001 0.5000- 0.4000g 0.3000m(0.20
17、00/1 0.10000.00000.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20001.40001/C (mg/l)-1图5-图8 PH=5.5不同铜离子浓度土壤吸附量曲线可以看出，土壤对铜离子的吸附用Langmuir等温吸附方程描述有更好的相关性。由拟合方程可以计算出饱和吸附量和吸附系数（表5）表5不同条件下最大吸附量、吸附常数样品qmax mg/gkph=3.5 土 11.790.38ph=3.5 土 22.554.25ph=5.5 土 13.372.73ph=5.5 土 23.13.55表6 土样ph土样ph=3.540mg/lph=3.5120mg/l
18、ph=5.5 40mg/lph=5.5 120mg/l14.514.334.884.6723.893.534.374.27从表中可以能看出，随着铜离子浓度增加，土壤ph值降低，且在添加液ph=2.5 时，土壤ph降低明显。六、思考题1. 土壤的组成和溶液的pH值对铜的吸附量有何影响？为什么？答：壤组成和pH对铜的吸收都有比较大的影响。先说pH，碱性土壤中，铜离子形成沉淀，无法被植物吸收。在酸性土壤中，土 壤pH越低，H+越多，Cu被解吸的越多，其活动性越大，Cu保持二价离子状态， 可能比碱性土壤更有利于吸收。土壤中最主要的成分是胶体和微生物，土壤胶体 具有巨大的比表面积和表面能，对土壤的吸附有巨大的影响，不同的土壤胶体， 的凝聚性和分散性不同和电极电位的不同对土壤吸附Cu有影响。2. 本实验得到的土壤对铜的吸附量应为表观吸附量，它应当包括铜在土壤表面 上哪些作用的结果？答：包括铜与土壤的某些成分发生化学反应而被吸附，同时有可能发生物理反应 吸附在表面。
