泰州市典型土层重金属吸附试验研究

吴炎　李烨菲　彭哲　胡坤

摘 要：城市发展过程中，重金属会从地表往地下深处迁移，不同土体对重金属离子的吸附作用不同。通过动态吸附试验和等温吸附试验，以重金属离子为对象，研究泰州市典型粉质黏土和细砂对Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附特性。研究结果表明：粉质黏土和细砂对Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附平衡点位于35 h处，粉质黏土对于Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附能力大于细砂，两者的等温吸附曲线较为符合Freundich吸附型和线型，重金属离子浓度的增加会降低粉质黏土和细砂的吸附率。粉质黏土和细砂对重金属离子的等温吸附效率的顺序为：Ni2+>Cu2+>Zn2+。

关键词：粉质黏土；细砂；吸附；重金属

Experimental study on heavy metal adsorption in typical soil layers of Taizhou City

WU Yan1， LI Yefei1， PENG Zhe1， HU Kun2

（1.Changzhou University Huaide College， Taizhou 214500， Jiangsu， China；

2.Changzhou Juncheng Construction Technology Co.Ltd.， Changzhou 213164， Jangsu， China）

Abstract： During urban development， heavy metals will migrate from the surface to deep underground. Different soils have different adsorption effects on heavy metal ions. The adsorption characteristics of typically silty clay and fine sand in Taizhou City for Cu2+， Zn2+， and Ni2+were studied through dynamic adsorption tests and isothermal adsorption tests. The results show that the adsorption equilibrium point of Cu2+， Zn2+， and Ni2+ on silty clay and fine sand was located at 35 h. The adsorption capacity of silty clay for Cu2+， Zn2+， and Ni2+was greater than that of fine sand. The isothermal adsorption curves of silty clay and fine sand were more consistent with the Freundich adsorption type and linear pattern. Increasing the concentration of heavy metal ions reduced the adsorption rate of silty clay and fine sand. The order of isothermal adsorption efficiency of heavy metal ions on silty clay and fine sand was Ni2+>Cu2+>Zn2+。

Keywords： silty clay; fine sand; adsorbent; heavy metal

隨着经济的快速发展，人类活动造成的环境污染越来越多。农药、化肥、洗涤剂的使用以及采矿（郭钰颖等，2022；韩娟娟等，2021）、电镀废水的泄露都会造成地下水及土体重金属含量增高，从而威胁人体的生命安全（Khokhar et al.，2023）。重金属离子在土体的迁移过程中，一些重金属离子会被土壤吸附，从而使得孔隙液中重金属离子浓度降低，土体重金属离子含量增高（席永慧，2019）。因此，土体对重金属离子的吸附研究具有重要意义（Jiang et al.，2021；Li et al.，2021；程运等，2019；梁艳等，2021；钱琪所等，2020；秦俊梅等，2013；王晓琳，2015）。国内外学者在土体吸附重金属方面进行了大量研究。如：Elliott等（1986）研究了2种矿物土壤在酸性条件下Cd、Cu、Pb和Zn的竞争吸附，结果表明含有有机质的2种土壤的选择性吸附顺序为Pb>Cu> Cd>Zn；Gomes等（2001）研究发现土壤吸附特征与阳离子交换容量（CEC）相关，吸附顺序为Pb>Cr>Cu>Cd>Ni>Zn；席永慧等（2005a）对粉煤灰、黏土、膨润土的吸附性进行研究，发现高浓度下的Zn2+在这些材料中的吸附结果符合Langmuir型；陈宇（2018）对膨润土进行改性，研究了其对重金属离子的吸附特性以及吸附机理；杨秀敏等（2013）对钠基膨润土的吸附特性进行研究，发现其对不同重金属离子具有选择性吸附的特点；崔明阳等（2017）对贵州省典型的黄壤和石灰土进行研究，发现相比于黏粒，土中碳酸钙对重金属蓄积的作用更强。不同地区土中含有的矿物成分不一致，土中的有机质、黏粒含量、游离氧化物等含量有差异，这就导致不同地区土体的吸附特性存在差别（Huang et al.，1992）。泰州市位于长江中下游，含有较厚的吹填土层，土体的性质复杂，建有大量的电镀工业园区，存在重金属污染风险，故研究泰州市典型土层的吸附特性有助于泰州市重金属污染的控制与防范。本文采用动态吸附试验和等温吸附试验，研究泰州市典型土层对Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附特性，为泰州市污染场地的治理以及环境评价提供参考。

1  材料与方法

1.1  试验材料

试验材料为细砂和粉质黏土，取土地址位于泰州靖江距离江边1 km处的建筑工地，取土深度为地面以下2 m和6 m。对土样进行XRD测试，粉质黏土主要成分是SiO2，含有少量钠长石、高岭石、伊利石等，细砂的主要成分也是SiO2，但是其他矿物很少，最主要的是钙质钠长石和钙质沸石。采用激光粒度仪对粉质黏土进行粒径分析，发现土粒径呈现正态分布（图1），分布范围1～100 μm，土颗粒的比表面积为797.8 m?·kg-1。对细砂进行筛分试验，发现颗粒集中在0.1～0.25 mm区间，土粒径不均匀性强。

主要试剂：无水硫酸铜（CuSO4）国药集团生产，分析纯；硫酸锌（ZnSO4·7H2O），国药集团生产，分析纯；硫酸镍（NiSO4·6H2O）国药集团生产，分析纯；仪器：普析原子吸收光谱、恒温振荡箱、离心机。

1.2  试验方法

1.2.1  动态吸附试验

配置浓度为800 mg·L-1的Cu2+（以CuSO4配置）溶液、Zn2+（以ZnSO4·7H2O 配制）溶液、Ni2+（NiSO4·6H2O）溶液，粉质黏土、细砂分别称量5 g置于5个100 mL锥形瓶中而后加入50 mL重金属溶液。充分混合后在恒温（20℃）振荡0.5 h，分别静置2 h、8 h、24 h、36 h、72 h，而后以4 000 r·min-1的速度在离心机中离心15 min后取上清液过0.22 μm膜，采用原子吸收光谱仪测量最后溶液中的重金属离子浓度。

1.2.1  等温吸附试验

配置浓度为800 mg·L-1的Cu2+（以CuSO4配置）溶液、Zn2+（以ZnSO4·7H2O 配制）溶液、Ni2+（NiSO4·6H2O）溶液，分别称量2 g的粉质黏土、细砂置于一系列锥形瓶中，分别加入5种浓度的重金属溶液。充分混合后在恒温（20℃）振荡8 h，静置24 h后置于离心机中，以4 000 r·min-1的速度离心30 min后静置2 h，取上清液过0.22 μm膜，而后采用原子吸收光谱仪测量最后溶液中的重金属离子浓度。

2  结果与讨论

2.1  粉质黏土和细砂对Cu2+、Zn2+、Ni2+吸附的动力学特征

在不同时间点（2 h、8 h、24 h、36 h、72 h）对重金属离子进行吸附动力学试验，绘制不同土体对重金属离子的吸附百分数与时间的关系曲线。从图2中可以看出，无论是Ni2+、Cu2+还是Zn2+，粉质黏土对于重金属离子的吸附量都大于细砂，这也与以往的研究相一致（Weng，2002）。然而，两者的吸附效率虽有差别，但是差距并不大，其吸附的最大效率之差为21.9%。

对比图2-a、图2-b、图2-c，Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附量逐渐下降，在72 h时细砂吸附量分别为94.47%、92.84%、87.33%，粉质黏土的吸附量分别为96.58%、96.2%、91.5%。在0～8 h这个区间，粉质黏土和细砂对重金属离子的吸附效率的变化速率较快，而后吸附效率的变化速率降低，在35 h后吸附效率趋于平缓，达到吸附平衡。相比于细砂，粉土质砂的达到相同吸附效率的时间更短。相同时间下，两者的吸附效率的差值受时间的影响，在3～24 h这段区间，两者的差值表现得尤为明显，在吸附10 h处最大。不同重金属离子在粉质黏土和细砂的吸附下，吸附效率的最大差值也不一样，Ni2+吸附效率的最大差值为18.4%，Cu2+的最大差值为17.99%，Zn2+的最大差值为21.93%。在24 h至72 h的这段时间区间内，粉质黏土和细砂吸附效率的差值都在5%以内，然而Zn2+在2种土上的吸附效率差值大于其他2种离子。

2.2  粉质黏土和细砂吸附Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附等温线确定

对50 mg·L-1、100 mg·L-1、200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1的重金属溶液进行2种土体的等温吸附试验。根据试验数据，以C为横坐标、S为纵坐标，绘制粉质黏土和细砂对重金属离子的吸附等温线S-C曲线，见图3-a、图3-b，固体颗粒的吸附量的计算见公式（1）。以C/S为纵坐标，C为横坐标，绘制粉质黏土和细砂对重金属离子的吸附等温线C/S-C曲线，见图4-a、图4-b，Langmuir吸附等温线中参数计算见公式（2）。以lgC为横坐标，lgS为纵坐标，绘制粉质黏土和细砂对重金属离子的吸附等温线lgS-lgC曲线，见图5-a、图5-b，Freundich等温线中参数计算见公式（3）（席永慧等，2005b）。

式中，S为平衡时的吸附量（mg·g-1），C0为重金属离子的初始浓度（mg·L-1），C为吸附平衡时重金属离子的在水溶液中的浓度（mg·L-1），V为水溶液体积（L）；W为固体颗粒重量（g）。

式中，B为最大吸附量，KL为Langmuir常数。

式中，Kf，n为Freundich常数，可以通过公式两边取对数线性拟合求出。

从图3至图5中可以发现，Cu2+在粉质黏土上最符合Freundich吸附，在细砂上最符合线性吸附，较为符合Freundich吸附。Zn2+在粉质黏土和细砂上最符合线性吸附，较为符合Freundich吸附。Ni2+在粉质黏土上最符合线性吸附，在细砂上最符合Freundich吸附。细砂吸附重金属离子最不符合Langmuir吸附，Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附拟合度小于0.6，其中对于Zn2+的吸附拟合度更是小于0.1，粉质黏土对于重金属离子的Langmuir吸附拟合较细砂好。

随着重金属离子含量增加，粉质黏土对Cu2+的吸附百分率从99.72%降低到95.13%，细砂对Cu2+的吸附百分率从94.23%降低到93.00%，其他重金属离子也是降低的趋势。这也表明除了金属本身的性质外，金属离子的浓度对土体的吸附效率有较大影响，且浓度越高，吸附效率越低。在相同初始浓度下（800 mg·L-1），细砂对Ni2+、Cu2+、Zn2+吸附量分别为94.47%、92.84%、87.33%，粉质黏土的平衡吸附量分别为96.58%、96.2%、91.5%，结合图3～5发现粉质黏土和細砂对重金属离子的等温吸附效率的顺序为：Ni2+>Cu2+>Zn2+。

对比图3-a和图3-b，粉质黏土和细砂的线性吸附参数k值相差并不大，3种金属离子的拟合k值差值范围为0.1～0.25。结合土体的XRD结果可知，2种土层中都含有大量的石英，粉质黏土的颗粒较细，比表面积大，有很好的吸附效果。而细砂虽然颗粒集中于0.1～0.25，但是仍然含有一些黏土颗粒，其中天然矿物钙质沸石对重金属离子具有很强的吸附作用（刘继状等，2022），其吸附效率远大于高岭石和伊利石，因此粉质黏土和细砂的吸附效果相差不大。

3  结论

1）粉质黏土和细砂对Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附，在0～8 h内吸附百分率的变化速度较快，而后趋于平缓，在35 h达到吸附平衡点。

2）粉质黏土对于Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附能力大于细砂，两者的等温吸附曲线较为符合Freundich吸附型和线型。

2）金属离子的浓度是土体吸附效率的重要影响因素，金属离子的浓度增加会降低土体的吸附效率。粉质黏土和细砂对重金属离子的等温吸附效率的顺序为：Ni2+>Cu2+>Zn2+。

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收稿日期：2023-03-22；修回日期：2023-05-29

基金项目：江苏省产学研合作项目（BY2021208）、泰州市科技支撑计划（社会发展）项目（SSF20210062）联合资助

第一作者简介：吴炎（1992- ），男，硕士，实验师，主要从事环境岩土方面的研究工作。E-mail：906017607@qq.com

引用格式：吴炎，李烨菲，彭哲，胡坤，2023.泰州市典型土层重金属吸附试验研究［J］.城市地质，18（3）：46-51