氨氮在黄土包气带中吸附解吸特征和影响因素探讨

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关于土壤对氨氮吸附作用及其影响机制的探讨较为广泛,而吸附/解吸的动力学机制的系统研究较为薄弱,黄土中的物质成分对氨氮吸附/解吸的影响机理尚不清楚。本文以黄土高原南缘的西安蓝田段家坡黄土剖面为研究对象,以氨氮在黄土中吸附/解吸行为为主线,系统研究氨氮在黄土中吸附/解吸的动力学机制,揭示有机质、碳酸钙和氧化物等对氨氮吸附的影响机制,为水土污染治理研究提供科学支持。主要取得的几点认识如下:1.黄土和古土壤对氨氮吸附/解吸的动力学过程受控于离子交换反应速率,准二级模型拟合效果最佳,方程为:Qt=k2Q2et/1+k2Qet;氨氮解吸速率比吸附慢60倍左右。2.氨氮等温吸附曲线符合Langmuir EXT1模型,即S=Smaxkc1-x/1+kc1-x,古土壤的饱和吸附量较黄土大;氨氮等温解吸曲线可以分为两种类型,即线性解吸模型和Langmui(r或Langmuir EXT1)模型,总体来说黄土的解吸能力比古土壤大。3.土壤介质对氨氮的饱和吸附量约为解吸量的5倍,明显存在解吸滞后现象,并且解吸能力越强的土壤,解吸滞后现象越不明显。黄土的解吸率较古土壤高,说明黄土对氨氮迁移的阻滞能力较弱,浅层地下水受其污染的机率较高。4.在氨氮等温吸附平衡过程中,pH在6.7~8.1之间,大体呈减小的趋势。Eh在180mv~270mv之间,浅层土壤(埋深<20m),Eh随NH4+平衡浓度的增大而降低;中层土壤,Eh在吸附过程中基本不变;深层土壤(埋深>40m),Eh随NH4+平衡浓度的增大而升高。电导率与NH4+平衡浓度呈线性正相关关系。阳离子和Cl-的含量随NH4+平衡浓度的增大而增大,其他阴离子含量随NH4+平衡浓度的增大而基本不变,在氨氮吸附过程中的硝化作用可以忽略不计。5.氨氮在包气带土壤中的吸附受外部环境因素(pH、温度、盐分)和自身物质组成(有机质、CaCO3、Fe2O3、Al2O3)的双重影响,pH越大,吸附量越大,并且碱性条件对氨氮的吸附行为影响更大;pH对氨氮的解吸行为影响不大。温度越低,吸附/解吸量越大,并且只有当外界环境中的氨氮浓度较高时,温度的影响作用才更明显。盐分促进氨氮的吸附过程,抑制氨氮的解吸过程,并且氨氮污染负荷越高,盐分的影响作用越大;NaCl的影响最弱,CaCl2的影响最强,而NaCl—CaCl2交互的影响介于二者之间。较低浓度(<5%)的有机质会促进氨氮的吸附/解吸过程,而高浓度的有机质有较弱的抑制作用。去除CaCO3后,氨氮吸附/解吸量明显减小,说明CaCO3对氨氮的吸附/解吸过程有较强的促进作用。Fe2O3抑制土壤的氨氮吸附行为,促进其解吸行为,并且氨氮污染负荷越大,Fe2O3的影响越明显。低浓度的Al2O3促进黄土对氨氮的吸附/解吸,抑制古土壤对氨氮的吸附/解吸,高浓度的Al2O3对其几乎没影响;氨氮污染负荷越大,Al2O3对土壤吸附/解吸行为的影响越明显。经过各因素影响大小的对比分析,发现对氨氮吸附过程有利的因素包括强碱环境、低温条件,含有一定量的有机质和CaCO3,其中pH影响最明显;对氨氮吸附过程不利的因素包括盐分和Fe2O3,其中影响最明显的是CaCl2。6.氨氮吸附过程中水—岩相互作用主要有斜长石、钾长石、石膏、岩盐和白云石的溶解,石英、方解石和伊利石的沉淀,以及阳离子交换作用,其中阳离子交换作用贡献率最大。模拟得到的NH4+离子交换量和实验所得氨氮吸附量接近,表明氨氮的吸附主要受离子交换作用的支配;但当氨氮污染负荷较大(100mg/L)时,实验所得的吸附量比模拟得到的NH4+离子交换量大,二者之间的差值正好和氨气挥发量相近,说明传统实验计算氨氮吸附量时未考虑氨气的挥发,导致结果偏大。
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