泥沙颗粒表面磷吸附分布的实验研究 - 清华大学方红卫教授课题组 .pdf

泥 沙研究 ofSedimentResearch 2009年8月 Journal 第4期 泥沙颗粒表面磷吸附分布的实验研究 陈明洪1，方红卫2，陈志和3 (1．中国农业大学水利与土木工程学院．北京100083；2．清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室。北京100084； 3．中山大学水资源与环境系水资源与环境研究中心，广东广州510275) 摘要i泥沙与污染物的作用过程十分复杂，传统吸附理论主要从总量上对这一过程进行描述。本文借助扫描电 子显微镜(sEM)等手段从微观尺度出发，研究磷污染物在颗粒表面的吸附现象，并通过图像处理和微分几何方 法分析磷在泥沙表面的分布规律。结果表明在颗粒表面的鞍部、凹地和凸起等地方存在较多活性吸附位。在特 定水环境中，这些吸附位对磷的弱酸根配体及其他离子在颗粒表面上竞争吸附起着非常重要的作用。 关键词：SEM；吸附；元素分布；微表面；络合 中图分类号：TVl41．2 文献标识码：A 文章编号：0468．155X{2009)04．0051．07 1前言 2007年入夏以来，我国太湖、巢湖、滇池等各主要湖泊相继爆发由蓝藻引起的水华现象，黄河、海 河、淮河和永定河流域等水体污染也非常严重，直接威胁到人们赖以生存的生态环境。在影响藻类初级 生产力的众多营养物质中，磷是水生系统中重要的影响因素，也是水体富营养化的主要限制因子之一。 进入水体中的含磷污染物在随水体扩散、迁移的同时，部分污染物会被水体中的悬浮泥沙颗粒吸附，跟 随泥沙颗粒沉降、再悬浮和迁移。这些随泥沙颗粒迁移的磷污染物在水库、湖泊等广域水体中会重新释 放出来，成为藻类生长的重要营养源。研究磷污染物随泥沙迁移转化的规律，必须对泥沙特性进行全面 的了解和认识，对磷污染物与泥沙颗粒的作用规律及在颗粒上的分布规律进行研究。 传统的吸附理论研究不关心泥沙微观形貌的影响，大多根据试验研究泥沙对污染物的吸附量随着 时间变化的动力学过程。在研究泥沙对污染物吸附的过程中，先后发展出Henry模型、Langmuir模型、 仁曲1为代表的学者研究了在不同水体环境中泥沙对重金属及有机物的吸附和解析行为，并试验研究 2。、汤鸿霄n31等从 表面络合模式出发，通过颗粒物表面电荷及电位研究颗粒表面结合位与吸附总量的关系。不过这些研 究都是基于总量吸附关系的，对于泥沙颗粒本身的关注较少。 实际上，泥沙对污染物的吸附过程非常复杂，总量吸附关系只能从宏观上反映出吸附过程的结果。 要研究泥沙吸附污染物的机制可以尝试从微观尺度出发。本文借助扫描电子显微镜和其他试验手段深 入研究吸附过程中颗粒表面的变化规律。 2实验部分 本文观测使用的S一4500是高倍场发射扫描电子显微镜，放大倍率可以达到20万倍，二次电子分 收稿日期：2007-07．24 基金项目l国家自然科学基金50325929) 作者简介i陈明洪(1980一)，男，湖北人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。 5l 万方数据 辨率达到1．5nm。实验分为两个部分，一部分为形貌观测，由电镜的主体完成，另一部分是元素的 Mapping扫描，由电镜附加的x射线能谱仪完成。两部分实验对样品的要求不同，处理也不同。 形貌观测的样品为官厅水库底泥的原状沙、清洗沙和进行总磷吸附之后的沙样。其中原状沙取自 官厅水库库底，后经风干、研磨，在烘箱中40℃有风条件下烘干。沉积物物相主要为石英、伊利石、绿泥 石、斜长石、方解石、白云母、白云石、闪石等，其中粘土矿物含量较高¨4。。实验所选原状沙的颗粒级配 和表面各重金属元素及氮磷含量列于表1和表2中。 表1 实验所用原状沙的级配组成 Tablel Size ofn