实验三-土壤对铜的吸附(环境化学实验)

实验五 土壤对铜的吸附

土壤中重金属污染主要来自于工业废水、农药、污泥和大气降尘等。过量的载金属可引起植物的生理功能紊乱、营养失调。由于重金属不能被土壤中的微主物所降解，因此可在土壤中不断地积累，也可为植物所富集并通过食物链危害气体健康。

重金属在土壤中的迁移转化主要包括吸附作用、配合作用、沉淀溶解作用和氧化还原作用。其中又以吸附作用最为重要。

铜是植物生长所必不可少的微量营养元素，但含量过多也会使植物中毒。土壤的铜污染主要是来自于铜矿开采和冶炼过程。进人到土壤中的铜会被土壤中的粘土矿物微粒和有机质所吸附，其吸附能力的大小将影响铜在土壤中的迁移转化。因此，研究土壤对铜的吸附作用及其影响因素具有非常重要的意义。

一、实验目的

1. 了解影响土壤对铜吸附作用的有关因素。

2. 学会建立吸附等温式的方法。

二、实验原理

不同土壤对铜的吸附能力不同，同一种土壤在不同条件下对铜的吸附能力也有很大差别。而对吸附影响比较大的两种因素是土壤的组成和pH.。为此，本实验通过向土壤中添加一定数量的腐殖质和调节待吸附铜溶液的pH ，分别测定上述两种因素对土壤吸附铜的影响。

土壤对铜的吸附可采用Freundlich 吸附等温式来描述。即：

Q ＝K ρ1/n

式中：Q ——土壤对铜的吸附量，mg/g ；

ρ——吸附达平衡时溶液中铜的浓度，mg/L ；

K ，n ——经验常数，其数值与离子种类、吸附剂性质及温度等有关。 将Freundlich 吸附等温式两边取对数，可得： 1g Q = lgK + n

1lg ρ 以1gQ 对1g ρ作图可求得常数K 和n ，将K 、n 代人Freundlich 吸附等温式，便可确定该条件下的Freundlich 吸附等温式方程，由此可确定吸附量（Q ）和平衡

浓度(ρ)之间的函数关系。

三、仪器和试剂

1. 仪器

(1) 原子吸收分光光度计。

(2) 恒温振荡器。

(3) 离心机。

(4) 酸度计。

(5) 复合电极。

(6) 容量瓶：50 mL，250 mL，500 mL。

(7) 聚乙烯塑料瓶：50 mL。

2. 试剂

(1) 二氯化钙溶液(0.01 mol/L)：称取1.5 g CaC12 · 2H2O溶于1L水中。

(2) 铜标准储备溶液（1000mg/L）：准确称取1.000g金属铜(99.9%)置于150mL烧杯中，加入(1+1) 硝酸20mL.加热溶解后，加入(1+1)硫酸10mL并加热置冒白烟。冷却后，加水溶解并转入1000mL容量瓶中，用水定溶至标线，此溶液1.00mL含1.00mg铜。

(3) 5 mg/L(5.00μg/mL)铜标准使用溶液：取上述铜标准储备溶液5.00mL，于1000mL容量瓶中，用水定溶至标线。

(4) 硫酸溶液：0.5 mol/L。

(5) 氢氧化钠溶液：1 mol/L。

(6) 铜标准系列溶液（pH=2.5）：分别吸取10.00、15.00、20.00、25.00、30.00 mL 1000mg/L的铜标准溶液于250 mL烧杯中，加0.01 mol/L CaCl2溶液，稀释至240 mL，先用0.5 mol/L H2SO4调节pH＝2，再以1 mol/L NaOH溶液调节pH＝2.5，将此溶液移入250 mL容量瓶中，用0.01 mol/L CaCl2溶液定容。该标准系列溶液浓度为40.00、60.00、80.00、100.00、120.00 mg/L。

按同样方法，配制pH= 5.5的铜标准系列溶液。

(7) 腐殖酸（生化试剂）。

(8) 1号土壤样品：将新采集的土壤样品经过风干、磨碎，过0.15 mm (100目）筛后装瓶备用。

(9) 2号土壤样品：取1号土壤样品300g，加人腐殖酸30g，磨碎，过0.15mm（100目）筛后装瓶备用。

(10)10%(m/v)盐酸羟胺溶液：将50g盐酸羟胺溶于水并稀释至500mL；

(11) 0.2%(m/v)新亚铜灵溶液：称取0.2g新亚铜灵溶于100mL甲醇中；

(12)37.5% (m/v )柠檬酸钠溶液：将150g柠檬酸钠溶于400mL水中，加入10%(m/v) 盐酸羟胺溶液5mL和新亚铜灵溶液l0mL，用50mL氯仿萃取除去其中杂质铜，弃去有机层；

(13)乙酸-乙酸钠缓冲液：将100g三水合乙酸钠溶于适量水中，再加入6mol/L的乙酸溶液13mL，定容至500mL，混匀。此溶液的pH值约为5.7。

四、实验步骤

1. 标准曲线的绘制

准确吸取5.00μg/mL铜标使用准液0.00，0.50，1.00，2.00，3.00，5.00mL，于25mL比色管中，加水至15.0mL，依次加入盐酸羟胺溶液1.5mL，柠檬酸钠溶液3mL，乙酸-乙酸钠缓冲液3mL，新亚铜灵溶液1.5mL，混匀，加水至标线，充分混匀，静置5min。以试剂空白为参比，用50mm比色皿于457nm处测定吸光度，每个实验点重复3次，以铜液浓度作为横坐标，吸光度A平均值作为纵坐标，绘制标准曲线。

2. 土壤对铜的吸附平衡时间的测定

(1) 分别称取1、2号土壤样品各8份，每份1g于50 mL聚乙烯塑料瓶中。

(2) 向每份样品中各加人50 mg/L铜标准溶液50 mL。

(3）将上述样品在室温下进行振荡，分别在振荡0.5、1、1.5、2、2.5和3h后，离心分离，迅速吸取上层清液10 mL于50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L的H2SO4溶液，用水定容后，取水样15ml按照标准曲线绘制的方法的测定吸光度。以上内容分别用pH为2.5和5.5的100 mg/L的铜标准溶液平行操作。根据实验数据绘制溶液中铜浓度对反应时间的关系曲线，以确定吸附平衡所需时间。

3. 土壤对铜的吸附量的测定

(1) 分别称取1、2号土壤样品各10份，每份1g，分别置于50mL聚乙烯塑料瓶中。

(2) 依次加入50 ml pH为2.5和5.5、浓度为40.00、60.00、80.00、100.00、120.00 mg /L 铜标准系列溶液，盖上瓶塞后置于恒温振荡器上。

(3) 振荡达平衡后，取15 mL土壤浑浊液于离心管中，离心10 min，吸取上层清液10 mL于50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L的H2SO4溶液，用水定容后，取

水样15ml 按照标准曲线绘制的方法。

(4) 剩余土壤浑浊液用酸度计测定pH 。

五、数据处理

1. 土壤对铜的吸附量可通过下式计算：

Q = W V 1000)(0ρρ-

式中：Q ——土壤对铜的吸附量，mg/g ；

ρ0——溶液中铜的起始浓度，mg /L ；

ρ——溶液中铜的平衡浓度，mg/L ；

V ——溶液的体积，mL ；

W ——烘干土样重量，g 。

由此方程可计算出不同平衡浓度下土壤对铜的吸附量。

2. 建立土壤对铜的吸附等温线

以吸附量(Q)对浓度(ρ)作图即可制得室温下不同pH 条件下土壤对铜的吸附等温线。

3. 建立Freundlich 方程

以1g Q 对1g ρ作图，根据所得直线的斜率和截距可求得两个常数K 和n ，由此可确定室温时不同pH 条件下不同土壤样品对铜吸附的Freundlich 方程。

六、思考题

1. 土壤的组成和溶液的pH 值对铜的吸附量有何影响？为什么？

答：（1）、1#、2#土样相比，2#土样增加了10%的腐殖酸，实验结果表明2#土样对铜的吸附量明显大于1#土样。说明土壤有机质能增加土壤对Cu 2+的吸附。这是因为有机质对重金属元素具有络合作用。有机质含量越高，对重金属络合作用越强，吸附的重金属也越多。

pH 值的影响：随着pH 增加，铜的吸附量增加，且溶液pH 均有部分下降。其中2#土样pH 下降更大。

2. 本实验得到的土壤对铜的吸附量应为表观吸附量，它应当包括铜在土壤表面上哪些作用的结果？

答：（2）、主要是土壤胶体表面电荷、表面空穴、表面羟基、表面有机官能团等

与铜发生配位作用。

备课：

1、实验过程中学生操作方面需要提醒的：

（1）、因为PE瓶为50ml，而所加溶液是50ml，所以在放液到尾部时，应小心，时刻注意液体的流出情况，以免液体被移液管下部的尖嘴部分倒吸；

（2）、振荡时，PE瓶横躺放在振荡器中，这样振荡更为均匀，但要时刻注意是否有漏液现象。

（3）、原子吸收测定之前，样品要充分摇匀。

（4）、测定原子吸收的样品不能有细小颗粒，否则易堵塞原子吸收仪。