[发明专利]一种矿质土壤中Pb（II）溶解态和吸附态的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算重金属Pb(II)在矿质土壤中赋存形态的确定方法，具体地说，是指一种基于化学物质在水溶液中稳态平衡模型和在土壤固相表面络合模型的化学平衡确定方法。 

背景技术

土壤中金属的“形态”(speciation)是指土壤中重金属的各种赋存类型。土壤中重金属元素的迁移、转化及其对植物的毒害和环境的影响程度，除了与土壤中重金属的总含量有关外，还与金属元素在土壤中的存在形态有很大关系。 

金属在土壤中以多种形态存在。有些形态是易溶的，有些形态是惰性的，如结合在矿物晶格中的部分。惰性形态几乎不影响其生物可给性或生态毒性，而与生态毒性显著相关的土壤中金属的主要存在形态包括：1)以溶解态存在于土壤溶液中，尽管这种形态的金属占土壤中金属总量的份额很小，但移动性和生物有效性最高，是生物吸收金属的主要形态；2)吸附在土壤固相表面，土壤中有多种固相，均存在大量可以吸附金属离子的活性点位，一些吸附态金属在条件适合的时候容易重新解吸下来，进入土壤溶液中，因此这种形态常常充当“储库”的角色。 

研究土壤中重金属形态的方法主要有传统的连续提取法、单一或分级萃取法、同位素稀释交换法、原位被动采样法等。但由于这些方法多是采用某种化学提取剂，也存在提取过程中痕量金属的再吸附再分配等问题，使得其形态的界定是一种操作定义，无法反映土壤中金属的真实形态。 

近年来对水溶液中金属稳态的化学形态确定方法已有了较大发展，如美国EPA开发的MINTEQ程序可用于计算平衡条件下各物质的浓度。而计算污染物在土壤中形态分布的关键是模拟金属离子在土壤固相胶体表面的吸附-解吸过程，其中包括在土壤粘土矿物、铁锰氧化物和土壤腐殖质表面的吸附，而对于矿物土壤而言，在前两者表面的吸附为主要过程。 

在过去的几十年里，Stern和Stumm等人发展了表面络合模型(SurfaceComplexation Model，SCM)来描述离子在矿物表面的吸附行为。SCM模型将离子在矿物表面的吸附行为描述为一个或多个表面络合反应。常见的描述矿物表面 静电引力的模型包括扩散层模型(DLM)、双电层模型(BSM)、三电层模型(TLM)和恒电容模型(CCM)。到目前为止，在土壤氧化矿物上的吸附模型研究已较成熟，对铝硅酸盐类黏土矿物也开展了一些研究，结果发现SCM可以较好描述离子在矿物表面的吸附行为。 

以上研究均以土壤中某单一组分为研究对象，针对土壤系统的综合形态模型研究尚不多见。 

发明内容

1.发明要解决的技术问题 

针对矿质土壤中，Pb在土壤中的生物有效形态主要为可溶态和吸附态，其中可溶态Pb已有地球化学平衡模型可以进行相应形态的计算；而模拟吸附态Pb是建立土壤Pb确定方法的关键，本发明提供一种矿质土壤中Pb(II)溶解态和吸附态的确定方法，将吸附态Pb分为在层状硅酸盐黏土矿物(以下简称黏土矿物)、铁氧化物、土壤有机质上的吸附，分别采用SCM对其吸附反应进行模拟，测定吸附反应常数和相关参数，对三种吸附介质点位进行界定，构建完整的矿质土壤中溶解态和吸附态Pb的地球化学平衡模型确定方法。 

2.技术方案 

发明原理：Pb在矿质土壤中的吸附主要点位为层状硅酸盐黏土矿物及铁氧化物胶体。前者由于成土母质不同和风化程度不同，组成和性质也各不相同，而且带有不同性质的表面电荷。黏土矿物表面电荷的产生比较复杂，不仅包括矿物边缘由羟基质子化或去质子化产生的可变电荷，并且还有同晶置换所形成的永久性负电荷。一般模型难以模拟，本发明采用双点位法建立了Pb在土壤黏土矿物表面的SCM吸附模型以及吸附常数的测定方法。而土壤中铁氧化物胶体由于结构较单一，对其表面吸附性质的研究已较充分，可通过查找文献，获得相应常数。另外Pb在水溶液中的各种平衡常数值、及在土壤有机质上的吸附常数也已有文献报道，可直接使用。 

地球化学平衡模型原理如下： 

地球化学平衡模型是1960年代发展起来的基于化学反应和化学热力学的理论，应用数学方法，借助计算机技术进行模型求解，得出研究体系中化学组分的存在形态和浓度的方法。 

对于一个水溶解态化学平衡体系而言，对应于每一个络合离子有一个质量作 用方程：