土壤中Cd 的淋濾動力學分析

黃渭文

（成都理工大學，四川 成都610059）

1 研究方法

1.1 供試土壤

研究區位于德陽市，主要集中于什邡及綿竹市周邊鄉鎮。什邡市坐落于四川省德陽市西側，東部與綿竹市一河之隔，西部與成都彭州市為邊界，北部與阿壩州的茂縣接壤，南部和廣漢相鄰。分別在南泉鎮（T1）、隱峰鎮（T2）進行了土壤樣品的采集。

1.2 實驗方法

對于土壤中重金屬含量的測定，采用高溫消解密閉進行樣品處理，處理后的樣品使用ICP-MS 進行含量測定。分別依次提取弱酸融態重金屬、可還原態重金屬、可氧化態重金屬以及殘留態重金屬。其中弱酸提取態對環境變化敏感，容易在中性或酸性條件下釋放，移動性較強，這一形態對環境變化較敏感，在中性或酸性條件下便可導致其結合的重金屬釋放。

2 實驗結果與分析

2.1 待測土壤的動態淋濾實驗

為探究淋濾液的pH 值對淋濾結果的影響，配置pH為3、5、7、9 四種淋濾液。考慮到研究區屬于燃煤型降雨，酸性降水主要為硫酸根及硝酸根離子，硫酸根與硝酸根之比為6.42，將淋濾液中硫酸根與硝酸根之比控制在與研究區相同的比例之內。分別將120g 土壤加到淋濾柱中，每天固定時間加淋濾液25mL，淋濾時間持續半個月。根據實驗得到的數據，得到T1、T2 兩種土壤的日淋出量如圖1 所示。

通過圖1 中可以看出，T1、T2 兩種土壤中的Cd 釋放過程表現出相似的共性：解吸過程分為快、慢兩個階段，即先快速淋濾出大量的Cd，隨后淋出量快速降低并以相對固定的差值緩慢遞減。這是由于土壤中的Cd 釋放經歷了兩個不同的階段：首先被釋放出來的是靜電吸附狀態的Cd，這部分Cd 很容易被釋放出來；隨著淋濾時間的延長，土壤中專性吸附的Cd 也被釋放出來，最終達到最大解吸量。

對于不同pH 條件下，在pH=5、7、9 時，具有較為相似的釋放特征，即在淋濾開始2 天后日淋出量開始降低，第7 天后淋出量逐漸趨于穩定。而在pH=3 時，Cd 一直保持較高的淋出量，略有降低但減少很小，淋出量也很快趨于穩定。隨淋濾液酸度的增加其解吸量增加，并且達到平衡的時間要提前，這可能是由于強酸條件下更有利于重金屬離子的釋放。

2.2 土壤對Cd 的淋濾釋放動力學分析

目前，描述土壤中化學反應動力學的方程最常見的有四種：Elovich 方程、雙常數方程、拋物線方程、表觀一級反應方程。Elovich 方程：Ct=a+b·lnt、雙常數方程：lnCt=a+b·lnt、拋物線方程=a+b·t0.5、一級動力學方程：lnCt=a-b·t。上述方程式中，Ct是時間t 時土壤溶液中重金屬的濃度，單位為mg/g；C0是t=0 時土壤溶液中重金屬濃度，單位為mg/g；k、a、b 分別是擬合常數。

對不同pH 條件下T1 土壤的淋濾結果進行動力學擬合，得到結果如表1 所示。

圖1 T1、T2 土壤日淋出量

表1 T1 土壤四種動力學方程相關系數表

表2 T2 土壤四種動力學方程相關系數表

在T1 土壤中，四種動力學方程對不同pH 條件下的淋濾擬合結果顯示，雙常數方程為Cd 在土壤中解吸過程的最佳模擬方程，這表明在T1 土壤中，Cd 的解吸不是一個單純的過程，是多個過程共同作用的結果。一級動力學的擬合程度較高說明該過程主要為化學反應過程，拋物線方程和Elovich 方程的擬合效果較為一般。

對不同pH 條件下T2 土壤的淋濾結果進行動力學擬合，得到結果如表2 所示。

根據四種動力學模型對各pH 條件下的結果進行模擬，根據表格數據可知，不同pH 條件下，雙常數方程的擬合程度均為最高，可以推斷土壤對重金屬Cd 的解吸是一個復雜的動力學過程。在T1、T2 兩種土壤的淋濾動力學中，不同pH 條件下的解吸擬合表現出一定的相似性，最適模型為雙常數方程，其次為一級動力學方程，拋物線方程有些條件下擬合程度也較好，Eloviche 方程的擬合程度均較低。其中雙常數方程a 是解吸速率常數，可以判斷農耕土解吸Cd 的速率相對較高。

3 研究結論

土壤對Cd 的解吸過程分為快、慢兩個階段，即先快速淋濾出大量的Cd，隨后淋出量快速降低并以相對固定的差值緩慢遞減。對于不同pH 條件下，較酸性條件對Cd的淋濾影響較大，淋出量較多且較早達到淋濾平衡。

總體來說兩種土壤不同pH 條件下最適模型為雙常數方程，其次為一級動力學方程，拋物線方程有些條件下擬合程度也較好，Eloviche 方程的擬合程度均較低。表明土壤對Cd 的淋濾是一個多種過程同時影響的復雜反應，主要以化學反應為主。