土壤对铜的吸附

土壤对铜的吸附 环境化学——土壤对铜的吸附 2013年11月 实验十七 土壤对铜的吸附 土壤中重金属污染主要来自于工业废水、农药、污泥和大气沉降等。过量的重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生物所降解，由此可在土壤中不断积累，也可为植物所富集并通过食物链危害人体健康。 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铜矿开采和冶炼过程。进入到土壤中的铜会被土壤中的粘土矿物微粒和有机质吸附，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: 1/n Q = Kρ 式中:Q——土壤对铜的吸附量，mg/g; ρ—— 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Freundlich吸附等温式两边取对数，可得: lgQ = lgK + 1/n lgρ 以lgQ 对lgρ作图可求得常数K和n，将K、n代入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(ρ)之间的函数关系。 (2)采用Langmuir吸附等温式描述，即: Q = qkρ/(1+kρ)?1/Q = 1/qkρ+ 1/q m11m1m 以1/Q 对1/ρ作图可求出q和k，进而确定吸附量(Q)与平行浓度ρ的m1 函数关系，分别作出lgQ - lgρ和1/Q - 1/ρ图，求出相关系数，判定吸附类型。 三、仪器和试剂 1、仪器 (1)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:50mL，250mL，500mL (7)聚乙烯塑料瓶:50mL 2、试剂 (1)二氯化钙溶液(0.01mol/L):称取1.5g CaCl?2HO溶于1L水中。 22 (2)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: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HSO，用水定容，其浓度分别24 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10g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0、15、30、45、60、90min后，离心分离，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HSO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24 用pH为3.5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10g，分别置于50mL聚乙烯塑料瓶中。 (2) 依次加入50 ml pH为3.5和5.5、浓度为40.00、60.00、80.00、100.00、120.00 mg /L 铜标准系列溶液，盖上瓶塞后置于恒温振荡器上。 (3) 振荡45min后，取15 mL土壤浑浊液于离心管中，离心10 min，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。 (4) 剩余土壤浑浊液用酸度计测定pH。 五、数据处理 1. 土壤对铜的吸附量可通过下式计算: Q = (ρρ)V/(1000W) = (ρρ*5)/ 20 测0 --- 0 --- 式中:Q——土壤对铜的吸附量，mg/g; ρ——溶液中铜的起始浓度，mg /L; 0 ρ——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。 (1)标准曲线 1 2 3 4 5 6 7 组别 C(Cu)0 0.5 1 2 4 8 16 (mg/L) ABS 0 0.0148 0.0304 0.0594 0.1184 0.2337 0.4487 作图得: 图一 (2)土壤对铜的吸附平衡时间的测定 振荡时间min 0 15 30 45 60 90 土壤1 50 起始浓度 (mg/L) ABS 0.1476 0.1332 0.1185 0.1112 0.1090 0.1160 平衡浓度 24.952 22.468 19.944 18.695 18.320 19.516 (mg/L) 1.2524 1.3766 1.5028 1.5652 1.5840 1.5242 Q1(mg/g) 土壤2 起始浓度 50 (mg/L) ABS 0.0555 0.0356 0.0323 0.0308 0.0250 0.0726 12.142 9.265 5.936 5.386 5.136 4.172 平衡浓度 (mg/L) 1.8929 2.0368 2.2032 2.2307 2.2432 2.2914 Q2(mg/L) 图二 由以上两张图可以得出以下结论:随着反应时间的增加，土壤中铜的浓度在下降，即土壤对铜的吸附量增加;2号土样土壤中铜的浓度比1号土样中的下降的快，因此可以判断，加了腐殖酸的土样对铜的吸附能力比较强。 (3)土壤对铜的吸附量的测定 ?pH = 3.5时: 起始浓度mg/L 40 60 80 100 120 土壤1 ABS 0.0907 0.1501 0.2678 0.4124 0.4983 C(Cu)mg/L 3.0410 5.0770 9.2361 14.601 17.941 15.205 25.385 46.181 73.005 89.705 平衡浓度 (mg/L) 1.2398 1.7308 1.6910 1.3498 1.5148 Q1(mg/L) 2土壤 ABS 0.0221 0.0697 0.1668 0.2606 0.3545 C(Cu)mg/L 0.7380 2.3306 5.6567 8.9766 12.416 3.690 11.653 28.284 44.883 62.020 平衡浓度 (mg/L) 1.8155 2.4174 2.5858 2.7558 2.8960 Q2(mg/L) ?pH = 5.5时: 起始浓度mg/L 40 60 80 100 120 土壤1 ABS 0.0279 0.0406 0.1976 0.2109 0.2945 C(Cu)mg/L 0.9308 1.3542 6.7347 7.2038 10.204 4.654 6.771 33.674 36.019 51.020 平衡浓度 (mg/L) 1.7673 2.6614 2.3463 3.1990 3.4490 Q1(mg/L) 2土壤 ABS 0.0084 0.0112 0.1009 0.1529 0.2864 C(Cu)mg/L 0.2841 0.3767 3.3877 5.1739 9.9096 1.421 1.884 16.938 25.869 49.548 平衡浓度 (mg/L) 1.9290 2.9058 3.1531 3.7065 3.5226 Q2(mg/L) 2. 建立土壤对铜的吸附等温线 以吸附量(Q)对浓度(ρ)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。 (1)pH = 3.5时: 图三 ?pH = 5.5时: 图四 3. 建立Freundlich方程 以1g Q对1gρ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。 图五 由上图可知: 当对于1号土:pH = 3.5时: lgQ=0.0357lnp+0.1136，则k=1.2990，n =26.667， 1/26.6671号土样在pH=3.5时的Freundlich吸附等温式方程为:Q=1.2990p ，该方程式与图三相比，正确。 pH=5.5时:lgQ = 0.1866 + 0.1824lnp，则k=1.5367，n=5.4824，所以，1号 1/5.4824土样在pH=5.5时的Freundlich吸附等温式方程为:Q=1.5367p ，该方程式与图四相比，正确。 图六 由图可知:对于2号土: pH=3.5时:lgQ=0.1569 lnp + 0.1864，则k=1.5360，n=6.3734，2号土样在pH=3.5 1/6.3734时的Freundlich吸附等温式方程为:Q=1.5360p ，该方程式与图三相比，正确。 pH=5.5时:lgQ=0.1356lnp+0.3434,则k=2.2050，n=7.3746，2号土样在pH=5.5 1/7.3746时的Freundlich吸附等温式方程为:Q=2.2050p ，该方程式与图四对比，正确。 4.建立Langmuir方程 以1/Q 对1/ρ作图可求出q和k，进而确定吸附量(Q)与平行浓度ρ的m1 函数关系，分别作出lgQ - lgρ和1/Q - 1/ρ图，求出相关系数，判定吸附类型。 图七 由上图可知，对于1号土: 当pH=3.5时:1/Q=1.7966?1/p+0.6209 ，则:q= 1.6106，k = 0.8965，所m1以1号土样在pH=3.5时的Langmuir吸附等温式为1/Q=1.4439p/(1+0.8965p)。 当pH= 5.5时:1/Q=0.9735?1/p+0.3096，则:q= 3.2300，k = 3.3180，m1所以1号土样在pH=5.5 angmuir吸附等温式为，则:1/Q=10.7171p/(1+3.3180p) 图八 由上图可知,对于2号土: 当pH=3.5时:1/Q=0.7599?1/P+0.3464，则:q= 2.8868，k= 3.7990，所m1以2号土样在pH=3.5 angmuir吸附等温式为:Q = 10.9670p/(1+3.7990p)。 当pH=5.5时:1/Q=0.2724?1/P+0.2730，则:q= 3.6630，k= 13.4471，m1所以2号土样在pH=5.5 angmuir吸附等温式为:Q=49.2567p/(1+13.4471p)。 5(土壤浑浊液的pH 编号 1-7 1-11 1-12 1-16 2-7 2-11 2-12 2-16 pH 4.63 4.30 4.62 4.53 4.17 3.60 4.33 4.26 六、注意事项: (1)、因为PE瓶为50ml，而所加溶液是50ml，所以在放液到尾部时，应小心，时刻注意液体的流出情况，以免液体被移液管下部的尖嘴部分倒吸; (2)、振荡时，PE瓶横躺放在振荡器中，这样振荡更为均匀，但要时刻注意是否有漏液现象。 (3)、原子吸收测定之前，样品要充分摇匀。 (4)、测定原子吸收的样品不能有细小颗粒，否则易堵塞原子吸收仪。 七、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:1#、2#土样相比，2#土样增加了10%的腐殖酸，实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明2#土样对铜的吸附量明显大于1#土样。说明土壤有机质能增加土壤对Cu2+的吸附。这是因为有机质对重金属元素具有络合作用。有机质含量越高，对重金属络合作用越强，吸附的重金属也越多。 pH值的影响:随着pH增加，铜的吸附量增加，且溶液pH均有部分下降。其中2#土样pH下降更大。 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:主要是土壤胶体表面电荷、表面空穴、表面羟基、表面有机官能团等与铜发生配位作用。