葉發(fā)兵 黃春保 熊緒杰 董元彥
摘要:利用平衡吸附法研究了3種土壤礦物對(duì)芐嘧磺隆的吸附及尿素對(duì)吸附的影響。結(jié)果表明,3種土壤礦物對(duì)芐嘧磺隆的吸附符合Langmuir和Freundlich方程,非晶形氧化鋁對(duì)芐嘧磺隆的最大吸附量最高,為634.5 μg/g;針鐵礦的最大吸附量為225.9 μg/g;高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的最大吸附量最小,為188.9 μg/g。尿素的加入使得芐嘧磺隆在非晶形氧化鋁、針鐵礦表面的吸附量都有不同程度的下降,其中非晶形氧化鋁降低的幅度最大;但尿素和芐嘧磺隆同時(shí)添加或者先加尿素再加芐嘧磺隆,高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的吸附量都增大。
關(guān)鍵詞:芐嘧磺??;吸附;土壤礦物;尿素
中圖分類號(hào):S482.4+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)03-0485-05
Study on Adsorption of Bensulfuron-methyl by Three Kinds of Soil Minerals
YE Fa-bing1,2,HUANG Chun-bao2,XIONG Xu-jie2,DONG Yuan-yan3
(1. School of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, Hubei, China;
2. Key Laboratory for Economic Germplasm Modification and Product Comprehensive Utilization of Hubei Province,Huanggang 438000,Hubei,China; 3. Department of Chemistry, College of Science, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)
Abstract: Adsorption of bensulfuron-methyl by kaolinite, goethite and amorphous alumina and the effect of urea on the adsorption were examined by equilibrium adsorption method. Results indicated that the adsorption was in accordance with Langmuir equation, with the maximum absorbing capacities ranking as amorphous alumina (634.5 μg/g), goethite (225.9 μg/g), kaolinite (188.9 μg/g). When urea was added in the adsorption system, the absorbing capacities of goethite and amorphous alumina to bensulfuron-methyl decreased whatever the addition order of urea and bensulfuron-methyl was. However, when urea was added before or simultaneously with bensulfuron-methyl in suspension of kaolinite, the adsorption quantity of bensulfuron-methyl was increased.
Key words: bensulfuron-methyl; adsorption; soil minerals; urea
芐嘧磺隆是最早廣泛使用的磺酰脲除草劑,對(duì)多數(shù)闊葉雜草有優(yōu)良的防除效果[1],由于此類除草劑在土壤中少量殘留可對(duì)后茬敏感作物以及土壤微生物產(chǎn)生藥害,因此其安全性引起了普遍關(guān)注[2-6]。土壤組分對(duì)農(nóng)藥(除草劑)的吸附直接影響農(nóng)藥的生物活性,是農(nóng)藥在土壤環(huán)境中歸宿的支配因素之一[7,8]。有關(guān)農(nóng)藥與土壤活性組分之間相互作用的研究早已被人們重視[9]。探討化肥對(duì)土壤活性成分與磺酰脲除草劑的相互作用的影響,揭示其相互作用機(jī)理,對(duì)闡明影響土壤活性組分的有關(guān)因素、了解芐嘧磺隆在不同條件下的遷移轉(zhuǎn)化及殘留規(guī)律、提出防治措施、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)際意義[10]。本實(shí)驗(yàn)利用平衡吸附法研究了芐嘧磺隆在3種土壤礦物高嶺土、針鐵礦、非晶形氧化鋁礦表面的吸附,以及尿素對(duì)吸附的影響,并探討了可能的表面吸附機(jī)理。
1材料和方法
1.1儀器與試劑
SY-4000K高效液相色譜儀(北京北分瑞利分析儀器有限公司);K-2501可變波長(zhǎng)UV檢測(cè)器。芐嘧磺隆標(biāo)準(zhǔn)樣品(加拿大Chemical Service公司);高氯酸、高氯酸鉀、二氯甲烷、尿素、無(wú)水硫酸鈉等均為分析純,甲醇為色譜純。高嶺土(化學(xué)純,購(gòu)自武漢福鑫化學(xué)有限公司),針鐵礦和非晶形氧化鋁分別按文獻(xiàn)[11,12]的方法合成,土壤礦物基本性質(zhì)如表1。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1芐嘧磺隆的分析條件采用Spherisorb C18分析柱(4.6 mm×150 mm);流動(dòng)相:甲醇(色譜純);流速:1.0 mL/min;進(jìn)樣量:20 μL;檢測(cè)波長(zhǎng):254 nm。該條件下芐嘧磺隆的保留時(shí)間為1.640 min。
1.2.2土壤礦物懸濁液的制備分別稱取2.5 g上述3種土壤礦物于錐形瓶中,加適量去離子水,以0.01 mol/L的高氯酸每隔2 h調(diào)節(jié)懸濁液的pH,直至其穩(wěn)定在5.5,定容至250 mL,此時(shí)的土水質(zhì)量比為1∶100。
1.2.3土壤礦物對(duì)芐嘧磺隆的吸附在磁力攪拌下吸取5份10 mL土壤礦物懸濁液分別于50 mL聚乙烯離心管中,加入pH 5.5,濃度分別為4.16、8.32、12.48、16.64、20.80 μg/mL的芐嘧磺隆溶液10 mL,然后各加入1 mL 0.10 mol/L的KClO4作支持電解質(zhì)。25 ℃下振蕩24 h,靜置1 h,8 000 r/min離心5 min,上清液分別用5、10、15 mL CH2Cl2萃?。炒巍:喜⑤腿∫?,于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至干,加入流動(dòng)相溶解,在刻度試管內(nèi)定容到10 mL。經(jīng)微孔濾膜過(guò)濾后進(jìn)樣,利用高效液相色譜法測(cè)定萃取液中芐嘧磺隆的含量,使用Prizm軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。芐嘧磺隆在土壤礦物表面的吸附量X/m=(C0-Ce)×Vs/m;式中X/m(μg/g)是芐嘧磺隆在礦物表面的吸附量;C0(μg/mL)是芐嘧磺隆的初始濃度;Ce(μg/mL)是吸附平衡時(shí)上清液中芐嘧磺隆的濃度;Vs(mL)是加入芐嘧磺隆溶液的體積;m(g)是每支試管中土壤礦物的質(zhì)量。
1.2.4尿素對(duì)芐嘧磺隆在土壤礦物表面吸附的影響①先加芐嘧磺隆,后加尿素。在磁力攪拌下吸?。捣萃寥赖V物懸濁液10 mL分別于5支50 mL聚乙烯離心管中,加入pH 5.5,濃度分別為4.16、8.32、12.48、16.64、20.80 μg/mL的芐嘧磺隆溶液10 mL,然后各加入1 mL 0.10 mol/L的KClO4作支持電解質(zhì)。25 ℃下振蕩24 h,再加入濃度分別為8.32、16.64、24.96、33.28、41.60 mol/L的尿素溶液10 mL,繼續(xù)振蕩24 h,靜置1 h,后續(xù)操作同1.2.3。②先加尿素,后加芐嘧磺隆。在磁力攪拌下吸取5份土壤礦物懸濁液10 mL分別于5支50 mL聚乙烯離心管中,分別加入8.32、16.64、24.96、33.28、41.60 mol/L的尿素溶液10 mL,然后各加入1 mL 0.10 mol/L的KClO4作支持電解質(zhì)。25 ℃下振蕩24 h,再加入pH 5.5,濃度分別為4.16、8.32、12.48、16.64、20.80 μg/mL的芐嘧磺隆溶液10 mL,繼續(xù)振蕩24 h,靜置1 h,后續(xù)操作同1.2.3。③芐嘧磺隆和尿素同時(shí)加入。在磁力攪拌下吸?。捣萃寥赖V物懸濁液10 mL分別于5支50 mL聚乙烯離心管中,加入pH 5.5,濃度分別為4.16、8.32、12.48、16.64、20.80 μg/mL的芐嘧磺隆溶液10 mL,再分別加入8.32、16.64、24.96、33.28、41.60 mol/L的尿素溶液10 mL,然后各加入1 mL 0.10 mol/L的KClO4作支持電解質(zhì),25 ℃下振蕩24 h,靜置1 h,后續(xù)操作同1.2.3。
2結(jié)果與分析
2.13種土壤礦物對(duì)芐嘧磺隆吸附的等溫吸附曲線
以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo),繪制芐嘧磺隆在3種土壤礦物表面的等溫吸附曲線(圖1)。高嶺土、針鐵礦對(duì)芐嘧磺隆的等溫吸附曲線為H型,即隨著體系中芐嘧磺隆濃度的增加,礦物對(duì)其的吸附量迅速上升,濃度變化不大時(shí)即已達(dá)到平衡;而非晶形氧化鋁對(duì)芐嘧磺隆的吸附曲線為L型,即隨著體系中芐嘧磺隆濃度的增加,礦物對(duì)其的吸附量緩慢上升,最后達(dá)到平衡。
供試礦物及氧化物對(duì)芐嘧磺隆的等溫吸附曲線均符合Langmuir方程:X=BmaxKC/(1+KC),其中X(μg/g)表示單位吸附載體對(duì)溶質(zhì)的吸附量,Bmax(μg/g)是溶質(zhì)的最大吸附量,K是吸附結(jié)合能常數(shù),C(μg/mL)是平衡時(shí)溶液中溶質(zhì)的濃度。從3種土壤礦物對(duì)芐嘧磺隆的最大吸附量來(lái)看,非晶形氧化鋁最大,其次是針鐵礦,高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的最大吸附量最小(表2)。
將以上數(shù)據(jù)以Freundlich平衡吸附方程Cs=kCe1/n(其中Cs為供試礦物對(duì)除草劑的吸附量μg/g;Ce是平衡液相中除草劑的濃度μg/mL;k、n為常數(shù))擬合(表3),擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.970 0,表明用Freundlich方程也能較好地描述這種吸附。
2.2尿素對(duì)土壤礦物吸附芐嘧磺隆的影響
2.2.1尿素對(duì)非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo),尿素對(duì)非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的影響曲線如圖2。尿素存在下非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的曲線經(jīng)擬合不再遵從Langmuir方程,從表4可知其符合拋物線擴(kuò)散方程y=A+Bx+Cx2[y(μg/g)為吸附量、x(g/mL)為芐嘧磺隆濃度]。結(jié)果同時(shí)顯示施用尿素后非晶形氧化鋁對(duì)芐嘧磺隆的吸附量降低,只添加芐嘧磺隆時(shí),非晶形氧化鋁對(duì)除草劑的吸附量最大;先加芐嘧磺隆后加尿素時(shí)非晶形氧化鋁對(duì)除草劑的吸附量最小。該處理實(shí)際上是非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆達(dá)到平衡后,尿素對(duì)芐嘧磺隆的解吸過(guò)程,說(shuō)明尿素對(duì)芐嘧磺隆具有很好的解析作用。
將上述數(shù)據(jù)以Freundlich平衡吸附方程Cs=kCe1/n擬合,所得參數(shù)見表5,所有處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.960 0,故能較好地描述非晶形氧化鋁對(duì)芐嘧磺隆的吸附。
2.2.2尿素對(duì)針鐵礦吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo),繪制尿素對(duì)針鐵礦吸附芐嘧磺隆的影響曲線(圖3)。尿素對(duì)針鐵礦吸附芐嘧磺隆的曲線同樣不再遵從Langmuir方程,由表6可知其也符合拋物線擴(kuò)散方程y=A+Bx+Cx2[y(μg/g)為吸附量、x(g/mL)為芐嘧磺隆濃度]。結(jié)果顯示,施用尿素后針鐵礦對(duì)芐嘧磺隆的吸附量降低。只添加芐嘧磺隆時(shí)針鐵礦對(duì)其的吸附量最大;芐嘧磺隆和尿素同時(shí)添加時(shí)吸附量最小。芐嘧磺隆和尿素同時(shí)添加,實(shí)際上是芐嘧磺隆和尿素在針鐵礦表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附過(guò)程,其結(jié)果說(shuō)明針鐵礦對(duì)尿素的吸附作用強(qiáng)于其對(duì)芐嘧磺隆的吸附作用。
將上述數(shù)據(jù)以Freundlich平衡吸附方程Cs=kCe1/n擬合,所得參數(shù)見表7,所有處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.850 0,故能較好地描述針鐵礦對(duì)芐嘧磺隆的吸附。
2.2.3尿素對(duì)高嶺土吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo),繪制尿素對(duì)高嶺土吸附芐嘧磺隆的影響曲線(圖4)。與只添加芐嘧磺隆相比,芐嘧磺隆和尿素同時(shí)添加或者先加尿素再加芐嘧磺隆,高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的吸附量都增大;先加芐嘧磺隆后加尿素,高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的吸附量降低。結(jié)果說(shuō)明尿素和芐嘧磺隆同時(shí)存在,尿素對(duì)芐嘧磺隆在高嶺土上的吸附具有促進(jìn)作用;先加芐嘧磺隆后加尿素,尿素有利于高嶺土上吸附的芐嘧磺隆的解吸。
尿素存在下高嶺土吸附芐嘧磺隆的曲線不再遵從Langmuir方程,由表8看出其同樣符合拋物線擴(kuò)散方程y=A+Bx+Cx2[y(μg/g)為吸附量、x(g/mL)為芐嘧磺隆濃度]。
將上述數(shù)據(jù)以Freundlich平衡吸附方程Cs=kCe1/n擬合,所得參數(shù)見表9,4個(gè)處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2都大于0.930 0,能較好地描述針鐵礦對(duì)芐嘧磺隆的吸附。
3討論
用平衡法研究土壤體系吸附現(xiàn)象時(shí),常用吸附方程來(lái)描述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等溫吸附曲線以幫助說(shuō)明吸附機(jī)制[13]。應(yīng)用最多的為描述氣-固體系吸附規(guī)律的Langmuir和Freundlich方程。一般認(rèn)為,土壤中許多吸附數(shù)據(jù)能用Freundlich方程較好地描述,其適用濃度范圍寬;運(yùn)用Langmuir則可以求出物理意義較明確的兩個(gè)常數(shù)。也有采用雙面Langmuir方程或競(jìng)爭(zhēng)性Langmuir方程來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)等溫線的。事實(shí)上,吸附符合哪種吸附方程,是由該吸附的本質(zhì)決定的。本實(shí)驗(yàn)中,供試礦物均為懸濁狀態(tài),水土比較大,只添加芐嘧磺隆時(shí)的吸附更符合單分子層吸附模型,故用Langmuir方程能較好地描述,不過(guò)也符合Freundlich方程;同時(shí)用拋物線擴(kuò)散方程也能較好地描述其吸附,這也說(shuō)明只添加芐嘧磺隆時(shí),吸附受芐嘧磺隆在水溶液中的溶解度影響,即與它們?cè)谒芤褐袛U(kuò)散程度有關(guān)。
芐嘧磺隆是弱酸類除草劑,它們?cè)谒芤褐写嬖谥缦驴赡嫫胶猓海龋?葑H++A-。由于針鐵礦及非晶形氧化鋁的電荷零點(diǎn)較高,其表面帶有較大的正電荷量,它們較容易吸附芐嘧磺隆電離出的負(fù)離子,并使可逆平衡不斷地向右移動(dòng),因而對(duì)弱酸性除草劑的吸附較強(qiáng),而高嶺土表面帶負(fù)電荷,與弱酸性除草劑負(fù)離子相排斥,故對(duì)除草劑的吸附較弱;另一方面,供試礦物比表面積越大,吸附作用越大,而非晶形氧化鋁、針鐵礦、高嶺土3者比表面積依次減小,所以供試礦物對(duì)除草劑的最大吸附量順序?yàn)榉蔷窝趸X>針鐵礦>高嶺土。
尿素按不同添加順序加入吸附體系時(shí),芐嘧磺隆在非晶形氧化鋁、針鐵礦表面的吸附量都有不同程度的下降,其中非晶形氧化鋁降低的幅度最大;但先加尿素或者尿素與芐嘧磺隆同時(shí)添加,高嶺土對(duì)芐嘧磺隆的吸附量有所增加。尿素存在下,3種礦物的吸附曲線均不遵從Langmuir方程,而符合拋物線擴(kuò)散方程和Freundlich方程,這說(shuō)明添加尿素后它們的吸附機(jī)理發(fā)生了改變。尿素存在下尿素和芐嘧磺隆通過(guò)雙分子氫鍵可形成比較穩(wěn)定的締合物,使芐嘧磺隆在水溶液中的可逆平衡向左移動(dòng),中性除草劑分子濃度增大,陰離子濃度減小,故在表面帶正電荷的針鐵礦及非晶形氧化鋁吸附降低,而帶負(fù)電荷的高嶺土更易與芐嘧磺隆的中性分子通過(guò)氫鍵產(chǎn)生作用而使吸附量增加。
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(責(zé)任編輯向闈)
收稿日期:2011-07-09
基金項(xiàng)目:湖北省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(D20092702)
作者簡(jiǎn)介:葉發(fā)兵(1966-),男,湖北英山人,教授,博士,主要從事土壤環(huán)境化學(xué)研究,(電話)18671315621(電子信箱)yefabin@hgnu.edu.cn。