模拟有机质—矿质复合体对三氯乙烯的吸附

为了研究土壤中有机质-矿质复合体结合形式对有机污染物吸附的影响, 利用批实验的方法, 对比研究有机质-矿质复合体与无机矿物和腐殖酸简单的混合物对三氯乙烯的吸附.结果表明, 与腐殖酸相比, 高岭石和石英砂吸附三氯乙烯量很小.模拟有机质-矿质复合体吸附三氯乙烯是线性吸附, K_oc值随腐殖酸含量的增加而减小, 并且比纯腐殖酸样品的K_oc值小.有机质与矿质的相互作用影响了有机质的吸附性能.对有机质在复合体中的形态变化进行了分析, 提出了有机质-矿质复合体模型, 并对实验结果进行了合理的解释.      

高岭石和硅／铝-氧化物对腐殖酸的吸附实验研究

矿物结合的腐殖质可改变矿物的表面性质,矿物对腐殖酸的吸附强度与矿物的吸附位性质、密度、荷电性及比表面积有关.若按比表面积计算,矿物对腐殖酸的吸附强度顺序为氢氧化铝>高岭石>石英;按单位质量计算,吸附强度顺序为高岭石>氢氧化铝>石英.研究表明,矿物表面活性受水溶液pH值的调控,且当pH值在4～7时,上述3种矿物对腐殖酸的吸附机理为石英主要表现为氢键作用;氢氧化铝主要表现为配体交换表面配位作用;高岭石表现为多种形式并存,包括氢键、配体交换表面配位和疏水性作用以及金属离子桥键作用.     

东胜煤系砂岩型高岭土的富集机理

通过对东胜含煤地层成煤期沉积环境、古介质等的分析,并用有机吸附实验对高岭石与有机质的吸附关系进行了实验,探讨了东胜砂岩型高岭土的富集机理。结果表明,高岭石在河流环境中的富集成矿与水介质中大量有机质的存在有关,植物分解产生的腐殖质具有很强的吸附性,在pH值>5.5和适量的多价阳离子存在的条件下,介质水中的腐殖质可通过多价阳离子与高岭石和石英相互牢固吸附,形成高岭石-有机质-石英复合体,从而使高岭石能够与石英一起搬运、沉积;某些具有一定疏水性的有机质与矿物的吸附,改变了矿物颗粒表面的亲水性,促进了高岭石的沉积富集。      

黏土矿物污染控制材料及其高效利用

黏土矿物具有特殊的纳米片层结构、含可交换性层间阳离子、微观结构及表面物理化学性质易调控;因此,黏土矿物及其改性产物对多种环境污染物有良好的吸附/催化性能,在污染控制领域有良好的应用前景。近年来,课题组以蒙脱石和层状双金属氢氧化物(LDH)为代表,研究了它们在污染控制领域的资源利用:1)研究了蒙脱石、LDH、LDO(LDH煅烧产物)对染料分子的吸附特征,发现它们对染料分子的吸附性能可优于活性炭;通过碳化处理废弃黏土矿物的方法,制备了系列类石墨烯纳米碳材料及多孔碳材料,所得碳材料显示了良好的电催化性能或吸附性能。2)研究了蒙脱石对重金属离子的吸附特征,并通过热处理实现了重金属离子的层间域/片层结构内的原位锁定。3)研究了羟基金属改性蒙脱石对重金属离子和含氧酸根的协同吸附机制,并发现吸附产物(如吸附了磷酸根和Cu2+的羟基铁柱撑蒙脱石)可用于光催化降解有机污染物。4)综合运用实验研究和分子模拟技术,研究了有机改性蒙脱石对疏水性有机污染物的吸附机制,发现表面活性剂堆垛密度是决定有机黏土吸附性能的关键因素,并采用阳离子聚合物来调控层间域表面活性剂堆垛密度,优化了有机黏土吸附性能。5)采用阳离子表面活性剂和羟基金属共同插层的方法,制备了有机-无机复合蒙脱石,发现了其能同时吸附有机物和含氧酸根离子。课题组的研究工作综合运用了实验研究和分子模拟,包括了基础理论研究和应用研究,涉及了黏土矿物及其改性产物的吸附、催化性能,并探讨多种废弃黏土矿物的资源回用技术。研究结果对实现黏土矿物在污染控制领域的高效资源利用提供了新信息。     

东海西南部表层沉积物黏土矿物分布特征

利用X射线衍射仪,对东海西南部表层沉积物样品进行黏土矿物体积分数分析,研究了东海西南部表层沉积物黏土矿物的组合特征和分布规律。结果表明,东海西南部表层沉积物伊利石为优势矿物,平均体积分数为61.8%;次之为绿泥石,平均体积分数为22.9%;高岭石平均体积分数11.1%,蒙脱石平均体积分数为1.01%。黏土矿物的组合类型以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石型为主,伊利石-高岭石-绿泥石-蒙脱石型次之。东海西南部表层沉积物黏土矿物主要为陆源成因,黏土矿物主要组合类型与长江源类型相似,说明黏土矿物主要来源于长江;高岭石体积分数由西向东明显减少,反映了高岭石受闽浙沿岸河流的影响较大;伊利石体积分数和绿泥石体积分数呈现由北西向南东增加的趋势,说明在台湾暖流的作用下,台湾河流为东南部海域提供了伊利石和绿泥石矿物。     

台湾海峡表层沉积物中黏土矿物特征及物质来源

利用X射线衍射仪,对比分析台湾海峡及周边表层沉积物的黏土矿物特征,讨论长江、福建和台湾河流对海峡黏土矿物的贡献程度。福建河流（闽江）的黏土矿物以高岭石为主（>40％）,其次是伊利石（30％）和绿泥石,不含蒙脱石;长江和浙闽泥质区的黏土矿物特征是伊利石含量最高（61％～66％）,其次是绿泥石（16％～17％）和高岭石（10％～13％）,少量蒙脱石（6％～9％）。台湾河流（浊水溪）黏土矿物组合为伊利石（>70％）和绿泥石,不含高岭石和蒙脱石为特征。台湾海峡高岭石含量由西向东明显减少,说明高岭石主要来自福建的河流。〖JP2〗台湾海峡50 m等深线以东区域的黏土矿物具有高的伊利石和绿泥石含量,低的蒙脱石和高岭石含量,且伊利石的化学指数和结晶度值都明显低于长江和福建的河流,反映台湾河流的物质来源。在台湾暖流作用下,台湾河流为台湾海峡中北部提供了大量的伊利石和绿泥石。福建近海的黏土矿物主要是由福建河流提供的,但在平潭岛周边海域的黏土矿物可能有长江物质的混合。〖JP〗     

东太平洋水合物海岭沉积物中黏土矿物与水合物饱和度相关性研究

为了探讨水合物储层中不同黏土矿物与水合物饱和度的关系,选取位于东太平洋水合物海岭国际大洋钻探计划204航次中的3个钻孔(1245B孔、1244C孔和1251B),开展储层沉积物黏土矿物的测试和综合分析。结果表明,蒙脱石、伊利石、绿泥石为主要黏土矿物(平均含量分别为40.3%、33.4%、21.4%);高岭石为次要黏土矿物(平均4.9%)。伊利石、绿泥石、高岭石三种矿物含量的垂向变化规律相似,但它们与蒙脱石的垂向变化趋势相反。该区水合物饱和度与蒙脱石含量呈正相关,且正相关程度在“细粒岩性”层段较高(R=0.55~0.97);水合物饱和度与伊利石、绿泥石、高岭石则显示负相关。3个钻孔中水合物储层厚度、水合物饱和度在各钻孔中分布的差异性表明水合物饱和度的受控因素复杂,首先是气源和流体迁移与供给,其次为沉积物岩性;而“细粒岩性”层段较高含量蒙脱石与水合物饱和度正相关关系可能代表了更次一级的沉积影响因素。为检验其它海区是否也存在黏土矿物对水合物饱和度的影响,将上述3个钻孔与印度外海Krishna-Godavari盆地17-07P钻孔记录进行对比。结果显示,17-07P孔的砂含量高,在粗砂层蒙脱石含量与水合物饱和度呈正相关,反映两个海域岩性对水合物饱和度控制机理不同。上述“细粒岩性”层段蒙脱石含量和伊利石、绿泥石、高岭石3种黏土矿物含量与水合物饱和度之间相关性的差异,可能因为蒙脱石具有特殊层状结构和表面化学性质(层间表面带负电荷、具有可交换的层间水合阳离子等),有利于促进水合物的形成和富集,因而表现为正相关;而伊利石、绿泥石、高岭石自身属性与蒙脱石不同(吸水膨胀能力、对甲烷的吸附能力较蒙脱石弱),不利于水合物的聚集,表现为负相关。     

单矿物纳米孔隙特征及其在页岩储集层表征中的意义

为研究单矿物纳米孔隙特征及其在页岩储集层表征中的意义,针对11种单矿物开展了N_2吸附实验,结果表明,高岭石、黄铁矿、钙质及长英质矿物以大孔(50 nm)为主,孔隙形态为楔形;其余黏土矿物介孔(2~50 nm)发育,以平行板状孔隙为主;除铁绿泥石和伊利石主要由微孔(2nm)贡献比表面积之外,单矿物多由介孔贡献;黄铁矿、钙质及长英质矿物中以钠长石孔隙最为发育,黏土矿物中则铁绿泥石高岭石伊利石伊蒙混层钙蒙脱石。同时,基于页岩样品SEM结果分析,当页岩孔隙结构特征与单矿物相近时,通过矿物组成加权构建了页岩吸附等温线及孔径分布。其构建效果受有机孔(或TOC)含量的影响。     

南海北部陆架海域表层沉积物黏土矿物分布特征及物源分析

应用X射线衍射(XRD)对南海北部陆架海域225个站位表层沉积物黏土组分进行分析,结果表明,研究区黏土矿物总体以伊利石和绿泥石为主,高岭石和蒙脱石质量分数少,绿泥石、高岭石与蒙脱石质量分数呈明显的负相关关系。根据南海北部陆架海域表层沉积物中黏土矿物空间分布特征,结合邻近河流的黏土矿物组分以及洋流搬运作用,雷州半岛东部海域伊利石主要来源于广东沿海河流和珠江,绿泥石来自台湾岛,蒙脱石主要由吕宋河流提供,高岭石则由广东沿海河流和海南岛入海河流提供;雷州半岛西部海域伊利石来源于珠江,绿泥石和高岭石由红河提供,蒙脱石可能受广西入海河流携带的沉积物影响。     

鄂尔多斯盆地东北部纳岭沟铀矿床黏土矿物特征

鄂尔多斯盆地东北部纳岭沟铀矿床是近年来发现的大型砂岩型铀矿床。矿床黏土蚀变强烈,与铀成矿关系密切。本文通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析测试,重点研究了纳岭沟铀矿床不同地球化学分带砂岩中的黏土矿物含量、类型及黏土矿物之间相互转化的关系,探讨了各地球化学分带的黏土矿物特征。研究发现,纳岭沟铀矿床各地球化学分带中黏土矿物以蒙脱石为主,高岭石次之,其次为绿泥石和伊利石;各地球化学分带的黏土矿物在总量上虽然相差不大,但是对具体黏土矿物的含量而言却差异明显;纳岭沟铀矿床黏土矿物对铀的吸附能力主要体现在蒙脱石,高岭石含量的变化可以反映流体环境的变化。     

Sorptive removal of ibuprofen from water using selected soil minerals and activated carbon

Pharmaceuticals have gained significant attention in recent years due to the environmental risks posed by their versatile application and occurrence in the natural aquatic environment. The transportation and distribution of pharmaceuticals in the environmental media mainly depends on their sorption behavior in soils, sediment?Cwater systems and waste water treatment plants, which varies widely across pharmaceuticals. Sorption of ibuprofen, a non-steroidal anti-inflammatory drug, onto various soil minerals, viz., kaolinite, montmorillonite, goethite, and activated carbon, as a function of pH (3?C11), ionic strength (NaCl concentration: 0.001?C0.5?M), and the humic acid concentration (0?C1,000?mg/L) was investigated through batch experiments. Experimental results showed that the sorption of ibuprofen onto all sorbents was highest at pH 3, with highest sorption capacity for activated carbon (28.5?mg/g). Among the minerals, montmorillonite sorbed more ibuprofen than kaolinite and goethite, with sorption capacity increasing in the order goethite (2.2?mg/g)?<?kaolinite (3.1?mg/g)?<?montmorillonite (6.1?mg/g). The sorption capacity of the selected minerals increased with increase in ionic strength of the solution in acidic pH condition indicating that the effect of pH was predominant compared to that of ionic strength. An increase in humic acid concentration from low to high values made the sorption phenomena very complex in the soil minerals. Based on the experimental observations, montmorillonite, among the selected soil minerals, could serve as a good candidate to remove high concentrations of ibuprofen from aqueous solution.     

Parameters controlling the partitioning of tributyltin (TBT) in aquatic systems

In the present study the distribution of TBT between solid and water phase as a function of several parameters was determined. Two types of clay minerals (Na-montmorillonite SWy and kaolinite KGa) and quartz sand were used as sorbents in conventional batch experiments. Sorption coefficients (K_d) followed the order montmorillonite (89 l/kg) > kaolinite (51 l/kg) > quartz (25 l/kg), while for sorption coefficients normalized to the surface area (Kd′) an opposite trend was observed, with the lowest value determined for montmorillonite (2.79 × 10⁻³ l/m²) and the highest for quartz sand (8.04 × 10⁻² l/m²). The results demonstrate that numerous environmental parameters influence the adsorption process of TBT, such as solid/solution ratio, clay content and salinity. Another important factor governing TBT adsorption is pH, because it affects both the TBT species in the water phase as well as the surface properties of the mineral phase. The maximum of TBT adsorption onto clays was always around pH 6–7. According to the data, it is evident that the content of organic matter in the solid phase plays an important role on TBT adsorption, either as particulate organic matter (POM) or organic matter adsorbed to mineral particles (AOM). Experiments were carried out with well characterized organic matter and the results showed a linear increase of K_d from 51 up to 2700 l/kg upon the addition of 5% of particulate organic matter to pure phased kaolinite. TBT adsorption onto mineral surfaces, which were previously enriched with adsorbed organic matter, was investigated at different pH. The present study points to the importance of identifying and characterizing sorbents and envrionmental conditions, in order to predict and model TBT distribution in natural systems.     

Effect of organic matter and selected heavy metals on sorption of acenaphthene,fluorene and fluoranthene onto various clays and clay minerals

The effects of organic matter (80% humic and 15% fulvic acid) and coexistence of heavy metals (Ni, Pb and Zn) on sorption of three polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)—acenaphthene, fluorene and fluoranthene—were examined for kaolinite, 60% kaolinite?+?40% sand, and 43% kaolinite?+?42% sand?+?15% bentonite. In total 108 batch sorption tests of PAHs were conducted for three types of clay mineral mixtures in six possible combinations of soil organic matter and heavy metal contents from no heavy metals and organic matter added to maximum organic matter added with spiked heavy metals. Results showed that the existence of metals increased the sorption of PAHs onto kaolinite from 4.7% for acenaphthene to 17.9% for fluoranthene. Organic matter in a kaolinite-sand-bentonite matrix could increase PAH sorption by up to 140% for fluoranthene. In all cases, increases were greater for fluoranthene, a larger PAH molecule. Heavy metals coexisting with organic matter led to enhanced sorption of PAHs compared to clay minerals without organic matter. Synergistic effects of organic matter and heavy metals on PAH sorption increments in the mixtures studied were such that the overall sorption could be 10–41% higher than that based on summation of the separate effects of metals and organics.     

红壤中矿物表面对腐殖质吸附萘的影响

矿物表面可改变土壤腐殖质对疏水性有机污染物的结合能力。采用红壤和高岭石分别与胡敏酸结合制备得到的两种复合体对萘的吸附等温线非线性显著,其n=0.76或0.74,并且有机碳归一化吸附分配系数的实验值Koacds是采用Kow计算得出的理论值Koc的5倍以上,表明红壤、高岭石均对腐殖质吸附萘有强化作用,且红壤较之高岭石对腐殖质吸附萘的影响稍强些。主要原因是,红壤中除了高岭石外,还有与腐殖质结合力很强的铁氧化物,而且很可能是吸附态腐殖质组成结构形态发生了有利于对萘吸附的改变。     

高岭石和蒙脱石吸附胡敏酸的对比研究

高岭石和蒙脱石分别是暖湿和冷干气候带内典型土壤的代表性矿物,对二者吸附胡敏酸特点的对比研究可以为探索不同地带土壤中重金属的环境行为提供重要的依据。笔者通过一系列实验研究了pH值、离子强度和胡敏酸初始浓度对胡敏酸在高岭石和蒙脱石上吸附量的影响,重点剖析了引起高岭石和蒙脱石在吸附胡敏酸方面表现出的共性和差异的原因。研究结果表明:1)在pH=5条件下,胡敏酸在高岭石和蒙脱石上的吸附量均随着胡敏酸初始浓度和离子强度的升高而逐渐增加;2)胡敏酸在高岭石和蒙脱石上的吸附量均随着pH值的升高而降低;3)pH<6时,高岭石吸附的胡敏酸量多于蒙脱石,pH>6时则相反。这是由高岭石和蒙脱石在不同pH条件下吸附胡敏酸的机制不同造成的。在pH<6时,高岭石与胡敏酸之间的静电引力起主导作用,其次是配位交换作用和氢键作用。此时,蒙脱石以氢键作用为主要吸附机制。在pH>6时,高岭石和蒙脱石的主要吸附机制分别是疏水性作用和阳离子键桥。     

粘土矿物对胡敏酸的吸附行为研究

以蒙脱石和高岭土为吸附剂,分别与胡敏酸反应,研究胡敏酸在蒙脱石和高岭石上的吸附行为,并运用红外光谱、热重和Zeta电位等分析方法,表征分析了吸附前后的粘土矿物.实验结果表明,吸附过程受胡敏酸的初始浓度和pH值等因素影响;胡敏酸对粘土矿物的吸附等温线符合Freundlich等温方程;表征分析表明两种粘土矿物与胡敏酸复合体的红外光谱出现了C-H振动吸收峰;粘土矿物与胡敏酸结合后Zeta电位下降.实验的结果将有助于进一步探明环境中粘土矿物对胡敏酸的吸附机理.     

矿物-腐植酸-微生物体系对重金属吸附研究

设施农业中土壤重金属污染问题日趋严重。由于土壤中矿物、腐植酸、微生物等多相组分之间存在交互作用,重金属与土壤单组分体系中所获得的结合机制并不能真实有效地评价其在自然条件下的转化与归趋。本研究以蒙脱石(Mont)和高岭石(Kao)为辽宁蔬菜大棚及农田土壤层状硅酸盐代表矿物,选取胡敏酸(HA)为有机质代表,土著微生物革兰氏阳性枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,B.s)、革兰氏阴性恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida,P.p)为细菌微生物代表,以此三元体系为主要供试蔬菜大棚土壤组分,以Cd~(2+)、Cu~(2+)为目标元素,借助宏观吸附实验,结合X射线衍射(XRD)、衰减全反射-傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、扫描电镜(SEM)测试分析了Cd~(2+)、Cu~(2+)在矿物-腐植酸-细菌三元混合物上的吸附机理以及Cd~(2+)、Cu~(2+)在复合体上的结合机制。研究结果表明,蒙脱石/高岭石-腐殖酸、蒙脱石/高岭石-B.s及蒙脱石/高岭石-P.p二元复合体对Cd~(2+)及Cu~(2+)的吸附具有加和性,矿物-腐植酸-微生物三元复合体之间表现为拮抗作用。吸附动力学研究表明矿物、有机质、微生物复合体对重金属的吸附动力学符合准二级动力学模型。体系对Cu~(2+)的吸附能力由强到弱为:B. s P. p Mont/Kao-B. s Mont/Kao-P. p Mont/KaoHA-P.p Mont/Kao-HA Mont/Kao。