光降解對高原湖泊富里酸與重金屬相互作用的影響

杜瑋 孫孝龍

摘要：本文以滇池水體和沉積物提取的富里酸（FA）為研究對象，研究了重金屬離子Pb2+、Cd2+、Fe2+與富里酸在光照條件下的相互作用，旨在為水環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化提供理論基參考。

關(guān)鍵詞：富里酸；重金屬；光降解

中圖分類號：X131.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0124-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.074

Abstract： in this paper， the interaction between heavy metal ions， Pb2+， Cd2+， Fe2+ and fulvic acid under light conditions was studied with the extraction of FA from Dianchi water and sediment， and the change of the antireflection was observed by controlling a series of experimental variables （pH value， light intensity and so on）.

Key words： Fulvic acid； Heavy metal； Photodegradation

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，大量重金屬污染物通過大氣沉降、廢水排放、水土流失、雨水淋溶與沖刷進(jìn)入水環(huán)境，導(dǎo)致局部水環(huán)境不同程度的污染，最終匯集到湖泊水體中，造成水體重金屬污染。滇池長期受工農(nóng)業(yè)污染，沉積物中Pb濃度高達(dá)319mg/kg，Cu高達(dá)207mg/kg[1-2]，重金屬離子濃度高于鄱陽湖、太湖、洞庭湖、南四湖、巢湖、紅楓湖及洪澤湖等[3-4]。本試驗(yàn)選用滇池富里酸作為試驗(yàn)材料，旨在模擬太陽光照射下，添加重金屬離子后富里酸在光照前后的相互作用，從而明確富里酸和重金屬復(fù)合作用下的光解機(jī)制，為水環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化理論基礎(chǔ)研究提供科研數(shù)據(jù)[1]。

1 材料與方法

主要儀器：Discovery電子天平，OHAUS儀器有限公司；光化學(xué)反應(yīng)儀，上海啟前電子科技有限公司；（如圖1所示）冷凍干燥機(jī)，上海啟前電子科技有限公司； pH儀；傅里葉變換近紅外光譜儀，上海啟前電子科技有限公司；STARTER3100實(shí)驗(yàn)室；pH計奧豪斯儀器上海有限公司。傅里葉紅外光譜（FTIR）表征：由于傅里葉變換紅外分光光度法具有高靈敏度、高信噪比、高分辨率、速度快、檢測限低等多種優(yōu)點(diǎn)[14]，因此本實(shí)驗(yàn)采用傅里葉紅外光譜法進(jìn)行表征。取干燥的富里酸樣品加入無水乙醇至完全溶解后取一滴滴到溴化鉀窗片中在400～4000cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)置分辨率為4cm-1，掃描次數(shù)為32，掃描其紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 光照強(qiáng)度對FA-重金屬相互作用的影響

圖1為光照強(qiáng)度對FA-重金屬相互作用的影響；在實(shí)驗(yàn)中，光照強(qiáng)度分別為100、300、500μW/cm2，光照時間為120min，pH值為5.0的條件下，隨著光照強(qiáng)度的增大，F(xiàn)A與Cd2+的反應(yīng)能力越強(qiáng)。3200～3600nm的波段是醇類物質(zhì)和酚類物質(zhì)所含的-OH等官能團(tuán)的吸收波段，圖中該波段有一個強(qiáng)烈地吸收峰，說明滇池富里酸中有大量的含有羥基-OH的官能團(tuán)的醇類和酚類物質(zhì)；隨著光照前度的增加，該兩種物質(zhì)的含量呈現(xiàn)上升趨勢，說明富里酸中大分子結(jié)構(gòu)官能團(tuán)被光解后與重金屬離子結(jié)合生成的含羥基等官能團(tuán)的小分子物質(zhì)所產(chǎn)生的吸收增強(qiáng)的情況[2]。

2.2 光照時間對FA-重金屬相互作用的影響

光照時間對FA與Cd2+相互作用的影響如圖2所示。從圖中可以看出，雖然每個時段的峰值高低均有變化，但是其出現(xiàn)的波段未發(fā)生移動。在光照強(qiáng)度為100μW/cm2，pH值為5.0的條件下，隨著光照時間的增加，F(xiàn)A與Cd2+的反應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加。以1200～1600nm波段的吸收區(qū)域?yàn)槔?，該波段?450nm和1540nm出現(xiàn)了兩個較為明顯的吸收峰，為羧酸-COOH和-NH官能團(tuán)，這說明Cd2+在FA此處的基團(tuán)上發(fā)生取代反應(yīng)而使原基團(tuán)發(fā)生變化。在光照的前90min里，兩個官能團(tuán)的增加幅度很均勻，在90min以后，兩個吸收的峰幅度變大，可以看出與Cd2+作用的FA官能團(tuán)主要為羧基-COOH，結(jié)合的方式是羧基的反伸縮振動和C=O伸縮振動[3]。

2.3 pH值對FA-重金屬相互作用的影響

pH對FA與金屬離子相互作用的影響較大，這一方面也有很多前人的研究[5-6]，圖3為pH值大小對FA與Cd2+相互作用的影響。由圖4可知，在光照強(qiáng)度為100μW/cm2，光照時間為120min的條件下，隨著pH的上升，F(xiàn)A與Cd2+的反應(yīng)越劇烈。以3200～3600nm的波段為例，該波段是醇類物質(zhì)和酚類物質(zhì)所含的-OH等官能團(tuán)的吸收波段，在pH為4.0～6.0的酸性條件下，反應(yīng)程度較為平緩；當(dāng)pH>6.0時，吸收峰又表現(xiàn)得較為強(qiáng)烈。因此pH 值對 Cd2+的影響可分為兩個區(qū)間：pH<6.0 和 pH>6.0。隨著pH的增大，溶液中H+的濃度減小，F(xiàn)A表面酸性基團(tuán)發(fā)生質(zhì)子解離，一方面使FA表面的負(fù)電荷増大，靜電引力増強(qiáng)，更易吸附金屬離子，另一方面金屬離子可與去質(zhì)子化的羧基等酸性官能團(tuán)形成配合物而結(jié)合到FA上。

3 結(jié)論與建議

在光照條件下，F(xiàn)A在與重金屬離子的反映過程中發(fā)生了光解。在光解過程中，F(xiàn)A與重金屬離子（Cd2+、Fe2+和Pb2+）隨著光照時間、強(qiáng)度和pH值的變化，其反應(yīng)能力也發(fā)生著相應(yīng)的變化[7-8]。通過分析傅里葉紅外圖譜可知，滇池富里酸中的大分子長鏈化合物含有苯環(huán)、醌基、羧基、-C-O-H、-CH=CH2和-C-O-C官能團(tuán)，經(jīng)過紫外線的照射后，羥基和羧基等小分子官能團(tuán)能夠被分解為小分子化合物，且在這個過程中與重金屬離子相互作用，導(dǎo)致了傅里葉紅外吸收的增強(qiáng)。在水環(huán)境中，F(xiàn)A的濃度、結(jié)構(gòu)、分子量、重金屬的種類以及各類環(huán)境因素同樣也對其與重金屬污染物的相互作用有著不可或缺的影響[4]。

參考文獻(xiàn)

[1]李梁，胡小貞，劉娉婷等.滇池外海底泥重金屬污染分布特征及風(fēng)險評價[J].中國環(huán)境科學(xué)，2010，30（Suppl.）：46-51.

[2]李玉斌，馮流，劉征濤等.中國主要淡水湖泊沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（2）：200-205.

[3]Xiao M. ， Wu F. C. ， Liao H. Q. ， et al. Vertical profiles of lowmolecular weight organic acids in sediment porewaters of six Chineselakes [J]. Journal of Hydrology， 2009， 365（1-2）： 37-45.

[4]Xiao M. ， Wu F. C. ， Zhang R. Y. ， et al. Temporal and spatialvariations of low-molecular-weight organic acids in Dianchi Lake，China [J]. Journal of Environmental Sciences 2011， 23（8）：1249-1256.

收稿日期：2018-02-17

作者簡介：杜瑋 （1993-），男，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)。