四種土壤對(duì)銫的吸附熱力學(xué)研究

李玥樾

摘要：近些年來(lái)，土壤銫（Cs）污染是人們所關(guān)注的問(wèn)題。本文采用靜態(tài)吸附法，比較研究了中國(guó)四種典型土壤在不同溫度下（288K、298K、308K）對(duì)溶液中Cs吸附的熱力學(xué)特征，結(jié)果表明四種土壤對(duì)Cs均具有一定的吸附能力，且在任何溫度下，其吸附量為黑土>紫色土>褐土>紅壤。隨著溫度的提高，每種土壤對(duì)Cs的吸附量較高。四種土壤對(duì)Cs的吸附等溫線均可以用Freundlich模型進(jìn)行擬合。土壤有機(jī)質(zhì)含量和季節(jié)溫度變化可能對(duì)土壤吸附Cs產(chǎn)生顯著影響。

Abstract： In recent years， cesium （Cs） pollution in soil is of great concern. In the present research， adsorption of Cs ion from cesium chloride solution by four typical types of soils in China， black soil， purple soil， cinnamon soil and red soil， at 288K， 298K and 308K was studied by batch experiment. The result showed that all of the soil samples adsorbed Cs， and the sequence of the adsorption capacity from high to low was： black soil， purple soil， cinnamon soil and red soil. For all four soil types， the adsorption capacity of Cs increased with the increase of temperature （288K， 298K， 308K）. The sorption of Cs by the soil was modeled using the Freundlich isotherm model. The organic matter content of soil or seasonal temperature variation probably has a significant impact on Cs adsorption process.

關(guān)鍵詞：土壤；銫；吸附熱力學(xué)

Key words： soil；cesium；adsorption thermodynamics

中圖分類號(hào)：P618.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）02-0179-03

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，放射性核素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、軍事、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，為人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大變革[1-2]。但是核技術(shù)的發(fā)展也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，放射性核素通過(guò)多種方式進(jìn)入大氣、土壤和水體中，核試驗(yàn)，以及核事故，如美國(guó)三里島核電站泄露事故、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸事故、日本福島核電站事故等，都釋放了大量的放射性核素，使環(huán)境中放射性核素的含量逐漸提高[3-5]。

放射性核素本身不能自然分解或生物降解，自然環(huán)境中可以在水、巖石、土壤和生物體等中發(fā)生溶解、吸附、解吸、擴(kuò)散、彌散、富集等物理化學(xué)過(guò)程，經(jīng)大氣降塵、降水、地表徑流遷移到土壤中。一般來(lái)說(shuō)，土壤對(duì)放射性核素具有較強(qiáng)的吸附固定能力，核素進(jìn)入土壤后多都截留在土壤表層，因此容易被植物根系吸收而在植物體內(nèi)富集，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入動(dòng)物和人體內(nèi)，危害人體健康，所以土壤放射性核素污染已經(jīng)受到人們的普遍關(guān)注[6-9]。

銫（Cs）是核工業(yè)產(chǎn)生的最主要、最危險(xiǎn)的放射性核素之一，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30余種Cs的同位素，其中134Cs和137Cs為β和γ放射源，且具有較長(zhǎng)的半衰期。由于Cs與鉀性質(zhì)相似，土壤中的Cs極易被植物吸收進(jìn)入食物鏈，從而在人體內(nèi)富集，對(duì)人體產(chǎn)生內(nèi)照射，長(zhǎng)期危害人體健康[10-11]。Cs在環(huán)境中具有分布廣、溶解度高、遷移性強(qiáng)、半衰期長(zhǎng)、輻射性強(qiáng)和易被生物體吸收的特點(diǎn)，同重金屬一樣，Cs在進(jìn)入土壤后也會(huì)被吸附，阻止其向周圍環(huán)境遷移，因此Cs與土壤的相互作用研究受到重視[6，12-13]。

以往許多學(xué)者對(duì)Cs及其同位素在土壤上的吸附情況進(jìn)行了研究，這些研究多針對(duì)某一土壤類型或者特定條件，如pH、土壤粒度對(duì)Cs吸附量的影響[14-21]，而對(duì)于不同土壤類型對(duì)Cs的吸附情況缺乏比較研究。本文即采用我國(guó)北方到南方典型的四種土壤，研究其對(duì)Cs的吸附熱力學(xué)性能差異，為Cs在不同土壤環(huán)境下遷移趨勢(shì)的預(yù)測(cè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 土壤樣品處理與理化性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)供試土壤為我國(guó)不同省份的典型土壤見(jiàn)表1。用竹制采樣鏟采集0-20cm的表層土壤，去除礫石和植物根系等雜質(zhì)，在陰涼處風(fēng)干，之后過(guò)20目篩備用。按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[22]，以電位法測(cè)定土壤pH（SartoriusPB-10）；以重鉻酸鉀-容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；以三酸法（硝酸、氫氟酸、高氯酸）消解土壤，并用ICP-MS（Agilent7700x）測(cè)定溶液中Cs的含量。分析過(guò)程中所用藥品均為分析純，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

圖1為四種土壤樣品在288K、298K和308K下對(duì)不同濃度CsCl溶液的吸附等溫線。可見(jiàn)四種土壤對(duì)溶液中的Cs+均具有一定的吸附能力，在任何溫度下，其吸附能力為黑土>紫色土>褐土>紅壤。在288K條件下，黑土和紫色土對(duì)5mg/LCsCl溶液的吸附容量接近，都為200mg/kg左右；而褐土和紅壤對(duì)低濃度CsCl溶液的吸附容量在50-150mg/kg之間。隨著CsCl溶液濃度的提高，不同土壤對(duì)Cs+的吸附容量變化呈現(xiàn)出明顯的差異性，其中黑土在CsCl溶液濃度為25mg/L時(shí)隨溫度的提高吸附容量分別增加為5mg/L時(shí)的4倍、5.5倍和7倍左右；吸附容量最小的紅壤在高濃度CsCl溶液中對(duì)Cs+的吸附容量差異也達(dá)到了低濃度的3-5倍，說(shuō)明不同土壤類型對(duì)Cs+的吸附容量隨CsCl溶液濃度的提高而大大增加。這種吸附量隨吸附質(zhì)濃度增加的變化趨勢(shì)可以用Freundlich模型進(jìn)行擬合[23]：

四種土壤對(duì)Cs+吸附等溫線的Freundlich模型擬合結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于四種土壤，隨著溫度的升高，吸附平衡常數(shù)KF逐漸提高，吸附量也明顯升高，這表明溫度的升高對(duì)四種土壤吸附Cs+有一定的促進(jìn)作用，Cs+在供試土壤中的吸附是一個(gè)吸熱過(guò)程，升高溫度有利于其在土壤中的吸附。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，四種土壤對(duì)Cs+都具有一定的吸附能力，表明自然環(huán)境中的含量Cs在通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤后會(huì)不同程度被土壤截留，減弱其遷移性。從土壤性質(zhì)來(lái)看，土壤pH和對(duì)Cs的吸附量并沒(méi)有明顯規(guī)律性，土壤本身Cs含量較低，也未對(duì)溶液中Cs的吸附量產(chǎn)生明顯影響。而土壤有機(jī)質(zhì)在黑土中含量最高，在紅壤中含量最低，與各土壤對(duì)Cs的吸附量變化一致，以往的研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬和放射性核素的吸附具有重要作用[24-28]，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量可能是Cs吸附的決定性因素之一。溫度變化是影響土壤吸附Cs的又一重要因素[29-31]，隨著溫度提高供試土壤Cs吸附量提高，說(shuō)明季節(jié)變化對(duì)土壤吸附Cs的能力有潛在影響，從而影響Cs在環(huán)境介質(zhì)中的遷移。

3 結(jié)論

我們對(duì)比研究了中國(guó)四種典型土壤類型對(duì)Cs吸附的熱力學(xué)特征，得出以下結(jié)論：

①四種土壤對(duì)Cs均具有一定的吸附能力，在任何溫度下，其吸附量為黑土>紫色土>褐土>紅壤。

②供試土壤對(duì)Cs的吸附等溫線可以用Freundlich模型進(jìn)行擬合，隨著溫度升高，KF相應(yīng)提高，吸附量增大，說(shuō)明四種土壤對(duì)Cs的吸附為一個(gè)吸熱過(guò)程。

③土壤有機(jī)質(zhì)含量和季節(jié)變化可能是土壤對(duì)Cs吸附的重要影響因素。

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