姚淑華,雍玉玲,李士鳳*,王海博,呂洪濤,石中亮 (.沈陽化工大學(xué),遼寧省工業(yè)排放重金屬處理與資源化技術(shù)工程研究中心 遼寧 沈陽 04;.遼寧省生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 沈陽 06)
砷(As)是一種常見的劇毒類金屬,在一定條件下可通過溶解、解吸等過程釋放到水體中[1-2].在土壤和水環(huán)境中,As主要以砷酸鹽(As(V))和亞砷酸鹽(As(III))兩種形式存在[3].前者在氧化條件下熱力學(xué)穩(wěn)定,容易與土壤固相結(jié)合,而后者在缺氧環(huán)境下普遍存在,比砷酸鹽更具毒性和流動性[4].
天然有機質(zhì)(NOM)是普遍存在的含有多種有機化合物的混合物,主要源于水生和陸生的動植物和微生物的分解產(chǎn)物,用途廣泛[5],通常以溶解性有機碳(DOC)的含量計算其濃度[6-7].天然有機質(zhì)主要由腐植酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素組成[8].有機質(zhì)與As相互作用主要有3種機制,分別為競爭吸附、電子移動和陽離子橋接(三元配合物)[9-10].陽離子橋即是有機質(zhì)和As之間的締合主要通過Fe陽離子橋締合,Fe發(fā)揮著重要作用,能夠影響 As在水生系統(tǒng)中的流動性和有效性[3].As結(jié)合可以通過與Fe的雙齒單核或單齒雙核配合物發(fā)生[11-12].但As在富含腐殖質(zhì)和富 Fe環(huán)境中的行為和分布仍不完全清楚,由于As與磷(P)都是第VA族元素,因而As與磷在化學(xué)性質(zhì)上有一定相似性,基于天然有機質(zhì)與磷酸鹽和鋁離子能形成三元絡(luò)合物的前提[13],NOM 能夠通過金屬橋離子(主要是Fe、Al等)與As形成三元絡(luò)合物.
分子量是溶解性有機質(zhì)(DOM)的基本屬性,也是影響 DOM 生物利用度的重要因素[14],以及有機物與As之間的關(guān)聯(lián)[15].不同分子量的有機膠體具有不同的As結(jié)合能力[15-16].已有研究發(fā)現(xiàn)HA的分子量對HA與As絡(luò)合有顯著影響[17],分子量大小同樣決定HA、Fe和As的絡(luò)合關(guān)系,對As的遷移的影響程度不同[18-19].As與通過超濾膜得到不同分子量(10,5和1kDa)的HA進行絡(luò)合試驗,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)As和 Fe 分布在高(>10kDa)和低(<1kDa)的組分中[20].因此分子量是研究 As在富含有機質(zhì)環(huán)境中的行為時需要考慮的一個重要因素[21].尺寸排阻色譜(SEC)耦合ICP-MS技術(shù)為證實As(III)與Fe(III)、有機質(zhì)三元配合物的形成提供了初步證據(jù)[20],盡管研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)與 As主要通過羧基和酚羥基形成絡(luò)合物[17],但是在同時富含有機質(zhì)和鐵的環(huán)境中,As與預(yù)先結(jié)合鐵的有機質(zhì)之間的絡(luò)合行為卻有待深入研究.此外,實際上水體中 NOM 普遍是以膠體形式存在的(粒徑范圍約為1~200nm),且通常情況下 NOM與Fe緊密結(jié)合形成具有較大比表面積的NOM-Fe膠體[22].由于游離態(tài)的Fe(III)在環(huán)境pH值下的溶解度非常低,而 Fe(II)的溶解度遠高于 Fe(III),因此,游離態(tài)的 Fe(II)在還原性環(huán)境中可以達到比較高的濃度[23].同時Fe(II)也很容易與NOM絡(luò)合,在還原條件下 NOM-Fe(II)膠體能夠穩(wěn)定存在,即使在含氧的中性水環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)有NOM-Fe(II)膠體形成[23].
本文以 HA 為天然有機質(zhì)的代表,采用平衡透析法,在不同pH值、DOC濃度、As濃度、分子量等條件下,考察Fe(II)-HA和Fe(III)-HA與砷(As(III)和As(V)的絡(luò)合性能,并推測絡(luò)合機理.
腐植酸(Aladdin);As標準溶液(100 μg/L,Aladdin)、砷酸鈉、亞砷酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫脲、抗壞血酸、檸檬酸、檸檬酸三鈉、硼氫化鉀、硝酸、氯化亞鐵、硝酸鐵(分析純,國藥試劑);透析袋(MWCO:500kDa,Viskase);實驗所用水為超純水.
紫外分光光度計(UV2550,SHIMADZU)、原子熒光光譜儀(SK-2003A,金索坤)、TOC總有機碳分析儀(LiquiTOC, Elementar)、傅立葉變換紅外光譜儀(NEXUS470,ThermoFisher)、超濾杯(UFSC20001,Amicon).
HA儲備液制備:將0.5g HA溶解在0.02mol/L,500mL的氫氧化鉀溶液中,經(jīng) 0.45μm 的濾膜過濾,去除懸浮顆粒.使用前避光存放于4℃的冰箱中儲存,防止光化學(xué)氧化.
HA的超濾實驗:采用超濾杯和截留分子量分別為1, 10, 30, 100kDa的超濾膜來獲得不同分子量的HA 溶液.超濾膜在使用前先進行預(yù)處理:分別用0.1mol/L鹽酸和0.1mol/L氫氧化鈉浸泡30min,以去除膜上可能存在的微量雜質(zhì).以氮氣為驅(qū)動力,為了保持超濾膜的膜通量大小不變,用不同膜分別對0.01mol/L鹽酸和 0.01mol/L氫氧化鈉超濾 30min.在超濾分離 HA溶液過程中,先用截留分子量較大的膜進行超濾,即從100kDa到1kDa的順序進行超濾.從HA原液中分離得到30~100kDa組分的詳細過程如下:取200mL的HA溶液加入裝有截留分子量為100kDa濾膜的超濾杯中,持續(xù)通入氮氣,攪拌溶液,待超濾杯中的 HA殘留液為原始溶液體積的 1/6時[24],停止超濾,此殘留液即分子量>100kDa的 HA組分.用去離子水沖洗超濾杯,將上次超濾的濾出液(即分子量<100kDa的 HA)繼續(xù)用截留分子量為30kDa的濾膜繼續(xù)超濾,這時的殘留液即30~100kDa組分,濾出液為<30kDa組分.依次類推,利用截留分子量為10kDa和1kDa的濾膜繼續(xù)分離,獲得共5種HA 組分,即>100kDa、30~100kDa、10~30kDa、1~10kDa和<1kDa.
Fe-HA絡(luò)合物制備:用超純水將 HA儲備液(DOC=627mg/L)稀釋,調(diào)節(jié)pH值為5.0,取100mL于燒杯中,Fe的濃度設(shè)置為0.5mg/L, 避光氮氣保護下300r/min攪拌72h.
擴散動力學(xué)實驗:將HA儲備液稀釋至30mg/L,調(diào)節(jié)其pH值為7.0,分別取15mL于透析袋內(nèi),置于2L、pH值為7.0的 As(V)、As(III)溶液中,As溶液的初始濃度為(100±2)μg/L.500r/min 進行攪拌,每隔一段時間對透析袋外的溶液進行取樣測試,直至溶液中 As(V)的濃度不變.為了防止 As(III)氧化,所有溶液均采用無氧水進行配制,以上實驗均在厭氧箱中操作,在相同條件下重復(fù)實驗三次.
Fe(II)/Fe(III)-HA與 As絡(luò)合實驗:采用平衡透析法研究溶液中As與HA、HA-Fe的相互作用[25].將 HA樣品稀釋至一定濃度,取 15mL于透析袋內(nèi),然后置于裝有2L As溶液的燒杯中,在磁力攪拌器上以300r/min進行攪拌.游離態(tài)的As可以穿過透析袋與HA、HA-Fe絡(luò)合,與HA、HA-Fe絡(luò)合的As則不能由透析袋內(nèi)返回到As溶液中.用原子熒光光譜儀測定平衡時透析袋外 As(III)濃度,通過計算透析袋內(nèi)外兩側(cè)之差可以算出絡(luò)合態(tài)As的比例以及As與HA、HA-Fe絡(luò)合百分比.提前將配置好的HA儲備液,裝入透析袋中,放入純水中預(yù)透析2周,以去除HA中能透過透析袋的少量小分子組分(<500Da).為防止 As(III)、Fe(II)氧化,實驗均在手套箱中操作,以上絡(luò)合實驗均重復(fù)3次.
總砷含量的測定:在 25mL比色皿中加入 2.5mL 50%鹽酸和2.5mL 5%硫脲及5%抗壞血酸的混合溶液,用去離子水定容至 25mL,搖勻,至少靜置 10h,然后用原子熒光光譜儀測定溶液中總砷的濃度.測量前配制好備用載液(20g/L硼氰化鉀+5g/L氫氧化鉀).
As(III)含量的測定:將25g檸檬酸鈉和12.5g檸檬酸溶于 400mL去離子水中備用.量取一定量體積的待測樣品,放入 25mL比色管中,用上述液體定容至 25mL,搖勻放置至少 6h,測量前配制好載液備用(20g/L硼氰化鉀+3g/L氫氧化鈉).
As(V)的含量為總砷與As(III)含量的差值.
Fe含量的測定:Fe(III)濃度用原子吸收分光光度計測定.Fe(II)濃度采用鄰菲羅啉分光光度法測定,具體方法如下:將一定量樣品加入 10mL比色管中,再依次加入1mL乙酸銨-冰乙酸緩沖液(40%乙酸銨+50%冰乙酸溶液), 0.4mL 0.5%的鄰菲羅啉溶液,加水定容,搖勻,避光顯色 15min,用紫外可見分光光度計在波長510nm處測定其吸光度.
總有機碳分析:采用總有機碳分析儀對 HA溶液進行了總有機碳(TOC)含量的測定.TOC為水中溶解性與懸浮性有機物含碳總量;溶解性有機碳(DOC):不會在后續(xù)測量分析的過程中因蒸發(fā)而丟失且能通過特定濾膜的溶解有機物質(zhì);總碳(TC):總無機碳與總有機碳之和;總無機碳(TIC):在 150℃下燃燒釋放二氧化碳的碳總量[26].超濾后,將 HA超濾成 5個不同分子量的組分,分別命名為UF1(>100kDa)、UF2 (30~100kDa)、UF3 (10~30kDa)、UF4 (1~10kDa)和UF5 (<1kDa),未超濾的HA被命名為UF0.用總有機碳分析儀通過測定TC和TIC的值,二者相減即可得TOC含量即為DOC的值.
傅立葉紅外(FT-IR)光譜分析:稱取溴化鉀(KBr)0.2g,HA-As、HA-Fe(II)-As、HA-Fe(III)-As絡(luò)合物的固體樣品 0.002g,在 40MPa下壓實 3min,采用傅立葉變換紅外光譜儀對含有絡(luò)合物的 KBr樣品片進行表征.掃描范圍在 500~4000cm-1之間,分辨率為4cm-1,設(shè)定掃描次數(shù)為64次.
如圖1所示,透析袋外As(V)、As(III)的初始濃度為100μg/L,圖1(a)當相互作用時間為200h時,透析袋外 As(V)的濃度降為88.75μg/L;圖1(b)當相互作用時間為130h時,As(III)的濃度降為92.76mg/L,隨著時間增加,As(V)、As(III)濃度變化小于 1μg/L,幾乎保持不變,說明此時HA與As(V)、As(III)絡(luò)合達到平衡,因此實驗中設(shè)定 As(V)平衡時間為10d,As(III)平衡時間為5d.
圖1 As(V)、As(III)的擴散動力學(xué)Fig.1 Diffusion kinetics for As(V) and As(III)
HA中不同分子量組分 DOC含量如表1所示,HA組分的 DOC濃度隨分子量的降低而降低,DOC含量從 UF1 (>100kDa) 2315.20mg/L到 UF5(<1kDa) 172.40mg/L,且未超濾的組分介于 UF2和UF3之間.
表1 HA中不同分子量組分DOC的含量Table 1 The content of DOC of different molecular weight components in humic acid
Fe(II)、Fe(III)與 HA 絡(luò)合時間為72h,通過平衡狀態(tài)時結(jié)合態(tài)As的比例可以反映出As與HA的絡(luò)合情況.如圖2(a)所示,未超濾 HA的 DOC濃度為30mg/L,As(V)濃度為100μg/L,體系pH值分別為5,7,9時,可以發(fā)現(xiàn)As(V)+HA(不含F(xiàn)e)體系只有少量As與有機質(zhì)直接結(jié)合,即加入Fe (0.5mg/L)后的HA與As(V) + HA(不含F(xiàn)e)體系相比結(jié)合As(V)的能力更強.其中在pH值為5時,HA絡(luò)合 As(V)的能力較強,百分比為17.5%,這表明,Fe的存在促進了As與HA的結(jié)合.該結(jié)果驗證了Sharma等[3]有關(guān)As與有機質(zhì)結(jié)合也依賴于Fe離子橋的結(jié)論.此外,沒有Fe存在,pH值為5時HA絡(luò)合As(V)的百分比,隨著pH值從5升高到9,As(V)的絡(luò)合百分比由 15.76%隨之降低至 12.61%.其原因主要是由于當pH值<6.9時,As主要以H2AsO4-形式存在,當pH值稍高時,As主要以 HAsO42-形式存在.由 HA整體帶負電荷,所以當pH值為9時,溶液中負電荷增加,HA與 As(V)的絡(luò)合會受到影響,相互作用能力會減弱.體系中加入 Fe(II)時,pH值為7時絡(luò)合As(V)的百分比最大,加入Fe(III)時,pH值為9時絡(luò)合As(V)的百分比最大.
如圖2(b)所示,未超濾 HA 的 DOC濃度為30mg/L,As(III)濃度為100μg/L,體系 pH 值分別為5,7,9時,加入 Fe(II)或 Fe(III)后的 HA 比不加 Fe的HA結(jié)合As(III)的能力更強.當pH值為7和9時,Fe存在下,As(III)絡(luò)合比例高于 pH值為5的條件下.其原因為pH值為7~9時As(III)的親核性增強,被有機官能團的脫質(zhì)子作用以及與HA、Fe(III)配位的羥基的增加所增強的靜電斥力有效抵消[14].在所有pH值范圍內(nèi),As(V)比As(III)能更容易絡(luò)合到HA上.由于HA整體帶負電荷,所以在低pH值時,H+會與As競爭絡(luò)合位點;而在高pH值時,OH-會與HA競爭As,HA與As(III)的絡(luò)合會受到影響,相互作用能力會減弱[27].
圖2 不同pH值條件下As(V)、As(III)與HA的絡(luò)合百分比Fig.2 The complexation percentage of As(V) and As(III) with HA at different pH values
通過平衡狀態(tài)時結(jié)合態(tài) As的比例可以反映出As與HA的絡(luò)合情況.如圖3(a)所示,在HA未超濾的條件下,當HA濃度為5mg/L時, pH值為5,Fe 濃度為0.5mg/L,As(V)濃度為100 μg/L,約 10.98%、16.3%、11.65%的 As(V)可以與 HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合.隨著DOC濃度逐漸增加到200mg/L 時,As(V)與 HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合的比例分別增至 19.86%、19.2%、19.89%.可以得出,隨著DOC濃度的增加,處于結(jié)合態(tài)的As的比例也增加, HA中結(jié)合位點的數(shù)目與HA的濃度呈正相關(guān).如圖所3(b)示,在HA未超濾的條件下,當HA濃度為5mg/L時,As(V)濃度為100μg/L,約10.96%、20.73%、16.35%的 As(III)可以與 HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合.當HA的DOC濃度逐漸增加到200mg/L時,結(jié)合態(tài) As的比例隨之增加,此時 As(III)與 HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合的比例分別為20.04%、22.89%、24.55%.可以得出,隨著 DOC濃度的增加,處于結(jié)合態(tài)的 As的比例也增加,因此可以得出 Fe與HA中結(jié)合位點的數(shù)目與HA的濃度呈正相關(guān).
圖3 不同DOC濃度條件下As與HA的絡(luò)合百分比Fig.3 The complexation percentage of As and HA under different DOC concentrations
平衡狀態(tài)時結(jié)合態(tài)As的比例可以反映出As與HA的絡(luò)合情況.如圖4(a)所示是pH值為5,Fe濃度為0.5mg/L,HA的濃度為30mg/L時HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)與 As(V)絡(luò)合后結(jié)合 As濃度.在相同As(V)濃度下,HA-Fe(II)、HA-Fe(III)體系絡(luò)合 As(V)的比率較高,加入 HA-Fe(II)HA 絡(luò)合 As(V)能力比HA-Fe(III)絡(luò)合能力強.同時隨著 As(V)濃度由100μg/L增加到1000μg/L,HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合As(V)的百分比有所下降,由15.83%、18.85%、17.88下降到 6.07%、6.71%、6.61%.由圖4(b)中可以發(fā)現(xiàn),隨著 As(III)濃度由 100μg/L 增加到1000μg/L,HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合 As(III)的百分比均有所下降,由 15.15%、26.95%、23.06%下降到2.77%、3.86%、3.11%.且在相同As(III)濃度下,HA-Fe(II)、HA-Fe(III)絡(luò)合 As(III)的比率較高.而且相同砷濃度下 As(III)與 HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)的絡(luò)合比率均要遠遠小于As(V).
圖4 不同As初始濃度條件下As與HA的絡(luò)合百分比Fig.4 The complexation percentage of As and HA under different initial concentrations of As
如圖5(a)所示是pH值為5,Fe濃度為0.5mg/L,HA濃度為30mg/L時,HA中不同分子量組分與As(V)絡(luò)合性能.不同且Fe(II)加入后絡(luò)合As的百分比也發(fā)生改變.其中絡(luò)合As的百分比最高的為分子量>100kDa的條件下,同時分子量<1kDa和1~10kDa的組分與 As(V)的絡(luò)合能力也較強.此外,無論加Fe(II)還是Fe(III),不同分子量組分HA絡(luò)合As的百分比均有所增加.HA中不同分子量組分與As(V)的絡(luò)合能力不同,說明 HA中不同分子量組分具有不同的理化性質(zhì).結(jié)合前期對 HA官能團的分析測試,可知HA和As(V)的絡(luò)合能力與HA的分子量及官能團有關(guān),例如羧基、羥基、巰基、氨基和酚等[28].與此同時, NOM 低分子量的分子具有更高密度的羧基(可能還有其他基團),這些羧基能夠結(jié)合 Fe和As,形成二元絡(luò)合物(As-NOM)、三元絡(luò)合物(As-Fe-NOM)[28].酚和羧基官能團被認為是金屬離子最重要的結(jié)合結(jié)構(gòu).與其他分子量的 HA 相比,大于100kDa的組分其包含大量的酚和羧酸官能團,結(jié)合了更多的Fe、As形成二元絡(luò)合物(HA-As)、三元絡(luò)合物(HA-Fe-As),從而增加了結(jié)合態(tài) As的比例.圖5(b)表示的是pH值為5時,HA中不同分子量組分入下加入 Fe(II)、Fe(III)對 As(III)絡(luò)合性能.由圖5(b)可見,不同分子量 HA 以及加入 Fe(II)、Fe(III)后與As(III)絡(luò)合的能力有顯著差異.當 HA 的分子量>100kDa絡(luò)合As(III)的百分比最大,其中HA-Fe(II)絡(luò)合 As(III)百分比為26.43%,這與該分子量組分含有多種官能團結(jié)合了大量的 Fe、As絡(luò)合形成二元絡(luò)合物(HA-As)、三元絡(luò)合物(HA-Fe-As),從而增加了結(jié)合態(tài)As的量有關(guān).當HA的分子量為<1kDa和1~10kDa時,絡(luò)合百分比分別為13.83%和 15.81%,說明<1kDa和1~10kDa分子量與As(III)的結(jié)合能力較強,這一結(jié)果與周楊等[17]研究結(jié)果一致.而且 HA與As(III)的絡(luò)合能力與As(V)類似,不同的是結(jié)合砷的比率,As(III)與HA的絡(luò)合比率要遠遠小于As(V) ,這與它們具有不同的絡(luò)合機理有關(guān)[17].
圖5 HA中不同分子量組分與As(V)(a)、As(III)(b)的絡(luò)合性能Fig.5 Different molecular weight components in HA with As(V) (a) and As(III) (b)
由圖6可以看出,在3425cm-1處存在HA的酚類或醇類的O-H伸縮振動吸收峰,此處峰強和峰面積與其它峰相比都比較大,說明羥基相對含量比較高[29-30].同時HA的酚類或醇類的O-H伸縮振動吸收峰存在差異,當HA與Fe(II)絡(luò)合后由3425cm-1處峰偏移向3427cm-1, HA-Fe(II)與As(V)/As(III)絡(luò)合后偏移向3433~3442cm-1;當HA與Fe(III)絡(luò)合后由3425cm-1處峰偏移向 3433~3448cm-1,HA-Fe(III)與As(V)/As(III)絡(luò)合后偏移向 3433~3446cm-1;當 HA與 Fe(II)絡(luò)合后羧基的 COO-反對稱振動和 COO-共軛雙鍵伸縮振動峰差異表現(xiàn)由 1431,1618cm-1偏向 1425~1433cm-1、1624~1632cm-1,HA-Fe(II)與As(V)/As(III)絡(luò)合后偏移向 1425cm-1、1428~1630cm-1;當 HA 與 Fe(III)絡(luò)合后峰偏移向 1421~1423cm-1、1629~ 1630cm-1,HA-Fe(III)與 As絡(luò)合后偏移向至 1425~ 1457cm-1、1632cm-1.與 HA-Fe 樣品相比,HA-Fe與 As (V)/As(III)的三元絡(luò)合在 COO-伸縮振動中產(chǎn)生進一步的頻移,HA 樣品在 1617~1618cm-1和1430~ 1431cm-1處的兩個寬吸收峰表明羧基(COO-)的不對稱和對稱振動[31-32].COO-基團與金屬的絡(luò)合作用導(dǎo)致COO-的頻率漂移和伸縮振動峰的形狀變化,同時進一步證實了HA-Fe與As的三元絡(luò)合物中As的存在[7].
圖6 HA與Fe/As (As(V) (a), As(III) (b))絡(luò)合前后的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR before and after the complexation of HA with Fe/As (As(V) (a), As(III) (b))
3.1 在pH值為7時,HA、HA-Fe(II)、HA-Fe(III)均表現(xiàn)出較強的絡(luò)合As(III)的能力.在pH=5時,HA絡(luò)合 As(V)的能力較強,pH值分別為7和 9時,HA-Fe(II)和 HA-Fe(III)體系絡(luò)合 As(V)的能力較強.pH值為7時,HA-Fe(II)絡(luò)合As(III)的百分比最大為14.65%,pH值為9時HA-Fe(III)絡(luò)合As(III)的百分比最大為14.75%.
3.2 Fe(II)或Fe(III)的加入均增強了HA絡(luò)合As的百分比,對As(V)的增強作用高于As(III),且不受pH值的影響.
3.3 在pH值為7條件下,不同分子量組分對As(III)與HA和HA-Fe(III)/Fe(II)絡(luò)合作用的影響不同,分子量>100kDa情況下,HA-Fe(II)/Fe(III)絡(luò)合As的百分比最高分別為22.60%、20.05%,<10kDa相對較弱.
3.4 由紅外光譜可以發(fā)現(xiàn),HA-Fe與 As絡(luò)合的主要官能團為COO-基團.