四种土壤对铯的吸附热力学研究

李玥樾

摘要：近些年来，土壤铯（Cs）污染是人们所关注的问题。本文采用静态吸附法，比较研究了中国四种典型土壤在不同温度下（288K、298K、308K）对溶液中Cs吸附的热力学特征，结果表明四种土壤对Cs均具有一定的吸附能力，且在任何温度下，其吸附量为黑土>紫色土>褐土>红壤。随着温度的提高，每种土壤对Cs的吸附量较高。四种土壤对Cs的吸附等温线均可以用Freundlich模型进行拟合。土壤有机质含量和季节温度变化可能对土壤吸附Cs产生显著影响。

Abstract： In recent years， cesium （Cs） pollution in soil is of great concern. In the present research， adsorption of Cs ion from cesium chloride solution by four typical types of soils in China， black soil， purple soil， cinnamon soil and red soil， at 288K， 298K and 308K was studied by batch experiment. The result showed that all of the soil samples adsorbed Cs， and the sequence of the adsorption capacity from high to low was： black soil， purple soil， cinnamon soil and red soil. For all four soil types， the adsorption capacity of Cs increased with the increase of temperature （288K， 298K， 308K）. The sorption of Cs by the soil was modeled using the Freundlich isotherm model. The organic matter content of soil or seasonal temperature variation probably has a significant impact on Cs adsorption process.

关键词：土壤；铯；吸附热力学

Key words： soil；cesium；adsorption thermodynamics

中图分类号：P618.84 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0179-03

0 引言

随着国民经济的发展，放射性核素在工业、农业、能源、军事、交通、医疗卫生等领域中广泛应用，为人们的生产和生活带来了巨大变革[1-2]。但是核技术的发展也带来了严重的环境污染问题，放射性核素通过多种方式进入大气、土壤和水体中，核试验，以及核事故，如美国三里岛核电站泄露事故、前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事故、日本福岛核电站事故等，都释放了大量的放射性核素，使环境中放射性核素的含量逐渐提高[3-5]。

放射性核素本身不能自然分解或生物降解，自然环境中可以在水、岩石、土壤和生物体等中发生溶解、吸附、解吸、扩散、弥散、富集等物理化学过程，经大气降尘、降水、地表径流迁移到土壤中。一般来说，土壤对放射性核素具有较强的吸附固定能力，核素进入土壤后多都截留在土壤表层，因此容易被植物根系吸收而在植物體内富集，并通过食物链进入动物和人体内，危害人体健康，所以土壤放射性核素污染已经受到人们的普遍关注[6-9]。

铯（Cs）是核工业产生的最主要、最危险的放射性核素之一，目前已经发现了30余种Cs的同位素，其中134Cs和137Cs为β和γ放射源，且具有较长的半衰期。由于Cs与钾性质相似，土壤中的Cs极易被植物吸收进入食物链，从而在人体内富集，对人体产生内照射，长期危害人体健康[10-11]。Cs在环境中具有分布广、溶解度高、迁移性强、半衰期长、辐射性强和易被生物体吸收的特点，同重金属一样，Cs在进入土壤后也会被吸附，阻止其向周围环境迁移，因此Cs与土壤的相互作用研究受到重视[6，12-13]。

以往许多学者对Cs及其同位素在土壤上的吸附情况进行了研究，这些研究多针对某一土壤类型或者特定条件，如pH、土壤粒度对Cs吸附量的影响[14-21]，而对于不同土壤类型对Cs的吸附情况缺乏比较研究。本文即采用我国北方到南方典型的四种土壤，研究其对Cs的吸附热力学性能差异，为Cs在不同土壤环境下迁移趋势的预测提供参考。

1 实验部分

1.1 土壤样品处理与理化性质

本实验供试土壤为我国不同省份的典型土壤见表1。用竹制采样铲采集0-20cm的表层土壤，去除砾石和植物根系等杂质，在阴凉处风干，之后过20目筛备用。按《土壤农业化学分析方法》[22]，以电位法测定土壤pH（SartoriusPB-10）；以重铬酸钾-容量法测定土壤有机质含量；以三酸法（硝酸、氢氟酸、高氯酸）消解土壤，并用ICP-MS（Agilent7700x）测定溶液中Cs的含量。分析过程中所用药品均为分析纯，测定结果见表1。

1.2 静态吸附实验

2 结果与讨论

图1为四种土壤样品在288K、298K和308K下对不同浓度CsCl溶液的吸附等温线。可见四种土壤对溶液中的Cs+均具有一定的吸附能力，在任何温度下，其吸附能力为黑土>紫色土>褐土>红壤。在288K条件下，黑土和紫色土对5mg/LCsCl溶液的吸附容量接近，都为200mg/kg左右；而褐土和红壤对低浓度CsCl溶液的吸附容量在50-150mg/kg之间。随着CsCl溶液浓度的提高，不同土壤对Cs+的吸附容量变化呈现出明显的差异性，其中黑土在CsCl溶液浓度为25mg/L时随温度的提高吸附容量分别增加为5mg/L时的4倍、5.5倍和7倍左右；吸附容量最小的红壤在高浓度CsCl溶液中对Cs+的吸附容量差异也达到了低浓度的3-5倍，说明不同土壤类型对Cs+的吸附容量随CsCl溶液浓度的提高而大大增加。这种吸附量随吸附质浓度增加的变化趋势可以用Freundlich模型进行拟合[23]：

四种土壤对Cs+吸附等温线的Freundlich模型拟合结果见表2。对于四种土壤，随着温度的升高，吸附平衡常数KF逐渐提高，吸附量也明显升高，这表明温度的升高对四种土壤吸附Cs+有一定的促进作用，Cs+在供试土壤中的吸附是一个吸热过程，升高温度有利于其在土壤中的吸附。

以上实验结果说明，四种土壤对Cs+都具有一定的吸附能力，表明自然环境中的含量Cs在通过各种途径进入土壤后会不同程度被土壤截留，减弱其迁移性。从土壤性质来看，土壤pH和对Cs的吸附量并没有明显规律性，土壤本身Cs含量较低，也未对溶液中Cs的吸附量产生明显影响。而土壤有机质在黑土中含量最高，在红壤中含量最低，与各土壤对Cs的吸附量变化一致，以往的研究表明，土壤有机质对重金属和放射性核素的吸附具有重要作用[24-28]，因此，土壤有机质含量可能是Cs吸附的决定性因素之一。温度变化是影响土壤吸附Cs的又一重要因素[29-31]，随着温度提高供试土壤Cs吸附量提高，说明季节变化对土壤吸附Cs的能力有潜在影响，从而影响Cs在环境介质中的迁移。

3 结论

我们对比研究了中国四种典型土壤类型对Cs吸附的热力学特征，得出以下结论：

①四种土壤对Cs均具有一定的吸附能力，在任何温度下，其吸附量为黑土>紫色土>褐土>红壤。

②供试土壤对Cs的吸附等温线可以用Freundlich模型进行拟合，随着温度升高，KF相应提高，吸附量增大，说明四种土壤对Cs的吸附为一个吸热过程。

③土壤有机质含量和季节变化可能是土壤对Cs吸附的重要影响因素。

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