郭瞻宇，郭 堤，蔣亞輝， 秦 睿，張增強，李榮華

(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100)

SBA-15在飽和石英砂介質(zhì)中的運移及其對Cd(Ⅱ)遷移的影響

郭瞻宇，郭 堤，蔣亞輝， 秦 睿，張增強，李榮華

(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院， 陜西楊凌 712100)

為了解SBA-15納米顆粒在飽和石英砂介質(zhì)中的運移及其對Cd(Ⅱ)遷移的影響。采用恒定流速柱遷移試驗法，探討Cd(Ⅱ)、SBA-15及Cd(Ⅱ)和SBA-15共存條件下的穿透曲線。結果表明，平衡對流-彌散方程能描述多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ)和SBA-15遷移過程的穿透曲線。在石英砂多孔介質(zhì)中，Cd(Ⅱ)的遷移能力強于SBA-15，Cd(Ⅱ)和SBA-15的出流比C/C0峰值分別為0.99和0.58。Cd(Ⅱ)和SBA-15共存時，隨著Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度從0 mg/L增加到10 mg/L，SBA-15的遷移阻滯因子(R)和不可逆吸附系數(shù)(μ)分別增大1.43倍和4.78倍，此時，SBA-15的Zeta電位從-55.7 mV增加至+16.3 mV，導致SBA-15在石英砂顆粒表面上的沉積滯留增加，進而同時抑制SBA-15和Cd(Ⅱ)的遷移。研究表明，SBA-15在多孔介質(zhì)中的遷移過程易受團聚、滯留和沉積作用的影響，同時Cd(Ⅱ)和SBA-15在多孔介質(zhì)中的遷移過程伴隨有固相界面的分配過程。

Cd(Ⅱ)；SBA-15；納米顆粒；多孔介質(zhì)；遷移

隨著納米科技的飛速發(fā)展和工程納米材料的廣泛應用，納米材料顆粒物進入環(huán)境后的潛在生物毒性、在環(huán)境介質(zhì)中與其他環(huán)境污染物的相互作用及其在土水介質(zhì)中的遷移過程逐漸受到環(huán)境科學工作者的廣泛關注[1-2]。碳納米管(CNTs)是目前研究最廣的工程納米材料。有研究表明，CNTs進入土壤后會對微生物表現(xiàn)出一定的生物毒性[3-4]，進入水體環(huán)境后會引起 底棲生物的群落結構發(fā)生變化[5]。同時，CNTs對環(huán)境中的Zn2+、Cd2+、Pb2+等金屬離子具有極強的親和能力[6]，還對疏水和親水有機物具有強烈的吸附作用[7-8]；CNTs進入土壤等多孔介質(zhì)后，不但具有極強的遷移能力[9]，而且會改變土壤固相的物質(zhì)組成，改變固相物質(zhì)對污染物的吸附點位，影響污染物的環(huán)境歸遷過程[10]。目前應用較多的納米材料除了CNTs外，還包括SBA-15納米材料。相比于CNTs的良好導電性和生物毒害作用，SBA-15作為一種工程SiO2納米材料，因具有良好的吸附性、生物相容性、無毒性、化學穩(wěn)定性和非導電性，而被廣泛用于藥物負載、水體污染物吸附和氣體凈化等領域[11-13]。已有研究證明，SBA-15等工程SiO2納米材料可以用于Cd(Ⅱ)污染水體和土壤的修復[14-18]，但在有關SBA-15在環(huán)境多孔介質(zhì)中與Cd(Ⅱ)環(huán)境行為之間的相互影響情況仍不清楚。為此，本研究通過柱試驗法探討Cd(Ⅱ)和SBA-15在石英砂多孔介質(zhì)中遷移和沉積行為的相互影響，以期了解Cd(Ⅱ)在水土多孔介質(zhì)中與環(huán)境固體顆粒物之間的界面過程，對拓展工程納米材料的環(huán)境應用和尋求Cd(Ⅱ)污染環(huán)境的治理方式具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：石英砂(0.15 mm99%)和Millipore超濾管(3 KD)購于Sigma-Aldrich公司。試驗用水為去離子水。

儀器：UVmini-1240型紫外可見分光光度計(日本日立)，JEOL 6335F型電子掃描顯微鏡(SEM，日本JEOL)，LEAD-1型恒流泵(中國安鐸)，EBS-20型四通道自動部份收集器(中國三利)，Zetasizer V 6型Zeta電位儀(英國馬爾文)，Phenomenex H-9500型透射電子顯微鏡(TEM，日本日立)，Agilent 7700型ICP-MS(美國安捷倫)，ICS-90型離子色譜(美國戴安)。

1.2 試驗方法

1.2.1 Cd(Ⅱ)吸附試驗 Cd(Ⅱ)在SBA-15和石英砂上的吸附研究采用批試驗法進行。準確稱取25 mg SBA-15或5 g石英砂于聚乙烯管中，并加入50 mL質(zhì)量濃度分別為0、2.5、5.0、10、20、40、60、80和100 mg/L 的Cd(Ⅱ)溶液，用0.1 mol/L HNO3及NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH=7.0后室溫振蕩48 h，經(jīng)超濾管過濾后，用ICP-MS測定濾液Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度，根據(jù)吸附前后溶液中的Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度，按式(1)計算單位平衡吸附量qe(mg/g)。

qe=V(C0-Ce)/m

(1)

式(1)中，V為吸附液的體積 (L)，C0、Ce為初始和吸附平衡時的Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度(mg/L)，m為SBA-15或石英砂的質(zhì)量(g)。

1.2.2 SBA-15懸液制備及砂柱填裝 參照文獻[19]的方法制備SBA-15懸液，即將50 mg SBA-15加入1 L去離子水中超聲振蕩4 h，該乳白色SBA-15懸液可以穩(wěn)定懸浮數(shù)月，此SBA-15懸液質(zhì)量濃度約50 mg/L。

石英砂裝柱前，先用0.1 mol/L NaOH和1.0 mol/L HNO3浸泡1 h后，再用去離子水洗滌石英砂至中性，并于550 ℃馬弗爐中灼燒24 h，以除去石英砂表面的有機物和無機物雜質(zhì)。然后在內(nèi)徑2 cm，長度16 cm有機玻璃柱底部鋪一層尼龍網(wǎng)，防止石英砂堵塞出流孔。為保持砂柱的飽和度，防止柱體中氣泡的產(chǎn)生，砂柱填裝采用濕裝法。先向砂柱中加入約3 cm高的去離子水，再向其中緩慢倒入少量石英砂，使得石英砂處于液面下0.5 ～ 1 cm，輕敲砂柱使石英砂緩慢沉積，排出氣泡。再緩慢從側壁加入約3 cm高去離子水，重復上述步驟直至砂柱填滿。每砂柱均填充122 g石英砂，砂柱的孔隙體積(PV)約30.8 mL。

1.2.3 遷移試驗 遷移試驗裝置照片如圖1-A所示。采用高分辨透射電子顯微鏡對懸液中的SBA-15形貌進行觀察(圖1-B)。圖1-B中SBA-15為直徑為23 ～ 30 nm的球體顆粒，均勻度較高，分散度較好。參照文獻[20]的方法進行遷移試驗。在所有柱試驗中，溶質(zhì)流速設為0.1 cm/min，流向自下而上，使用自動收集器每8 mL收集流出液1次。

SBA-15納米顆粒及Cd(Ⅱ)的遷移：在規(guī)定流速下向砂柱中通12 h去離子水以排除柱體中的氣泡，然后分別向砂柱中通入10PV50 mg/L SBA-15溶液或Cd(Ⅱ)溶液(1.0 mg/L和10 mg/L，pH 7.0)，再向砂柱中通入10PV去離子水。

SBA-15與Cd(Ⅱ)的共同遷移：為探究SBA-15與Cd(Ⅱ)在遷移中的相互影響，向50 mg/L SBA-15懸液中加入一定量的Cd(Ⅱ)標準溶液，使得其中Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度分別為1 mg/L 與10 mg/L，得到SBA-15與Cd(Ⅱ)的混合液。隨后在0.1 cm/min流速下通入去離子水12 h，然后引入10PV混合液，最后通入10PV去離子水。所有試驗均重復3次，取平均值作圖。

圖1 遷移試驗裝置(A)和SBA-15的高分辨透射電子顯微鏡觀察(B)Fig.1 Picture of transport experiment equipment (A) and high resolution TEM image of SBA-15 (B)

1.3 分析與數(shù)據(jù)處理方法

用Zeta電位儀測定Zeta電位；用透射電子顯微鏡觀察SBA-15和石英砂的微觀形貌；用紫外可見分光光度計于波長450 nm下測定流出液中SBA-15質(zhì)量濃度，該方法檢出限0.01 mg/L；用ICP-MS測定溶液中Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度；離子色譜法測定溶液中Br-的含量。進行流出液中Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度的測定時，將流出液中Cd(Ⅱ)分成溶解態(tài)Cd(Ⅱ)和SBA-15結合態(tài)Cd(Ⅱ)。將采集到的8 mL流出液分成2份，在其中一份3 mL的流出液中，加入2 mL濃氫氟酸使固體溶解，測定Cd(Ⅱ)質(zhì)量濃度，此即總Cd(Ⅱ)；然后將一份5 mL的流出液用超濾管過濾，測定濾液Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度，此即溶解態(tài)Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度；SBA-15結合態(tài)Cd(Ⅱ)為總Cd(Ⅱ)與溶解態(tài)Cd(Ⅱ)之差。

用流出曲線描述SBA-15和Cd(Ⅱ)在砂柱中的遷移情況，試驗前在相同流速下用100 μg/L NaBr溶液做示蹤, 根據(jù)NaBr的穿透曲線估計出擴散系數(shù)，該擴散系數(shù)也為SBA-15或Cd(Ⅱ)在石英砂柱中的擴散系數(shù)。對于SBA-15納米顆粒而言，重力沉淀作用可以忽略，而顆粒與介質(zhì)的接觸及顆粒的布朗運動產(chǎn)生的擴散則發(fā)揮更大的作用[21]。在穩(wěn)定飽和流條件下，顆粒在多孔介質(zhì)中的運移過程可以用一級沉積動力學對流-彌散方程的穿透曲線來描述[21]，并使用CXTFIT擬合穿透曲線得到相關的遷移參數(shù)。

(2)

式(2)中，C為SBA-15納米顆粒物的質(zhì)量濃度(mg/L)，D為顆粒物遷移時的擴散系數(shù)(cm2/min)，x為顆粒物的遷移距離(cm)，t為顆粒物的遷移時間(min), νp為顆粒物遷移的平均速度(cm/min)，R為用來表征介質(zhì)對溶質(zhì)阻滯能力的阻滯系數(shù)(無量綱)，μ不可逆沉積系數(shù)(min-1)。

2 結果與分析

2.1SBA-15和石英砂對Cd(Ⅱ)的吸附

SBA-15和石英砂對Cd(Ⅱ)的吸附見圖2。由圖2可知，SBA-15和石英砂對Cd(Ⅱ)的吸附量隨著Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度的增加而增大并逐漸趨于平衡，這是由于在Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度較低時，SBA-15和石英砂的表面能提供大量的吸附點位，吸附點位并未全部占據(jù)，因此可以迅速吸附溶液中的Cd(Ⅱ)；隨著體系Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度的持續(xù)增加，SBA-15和石英砂的表面能提供的吸附點位逐漸被Cd(Ⅱ)所占據(jù)并趨于飽和，因而Cd(Ⅱ)的吸附量也逐漸趨于平衡。達到平衡時，石英砂對Cd(Ⅱ)的飽和吸附量約0.08mg/g，而SBA-15對Cd(Ⅱ)的飽和吸附量則高達21.09mg/g，說明相比于石英砂，SBA-15對Cd(Ⅱ)具有更好的Cd(Ⅱ)吸附能力。這一研究結果與張萌等[15]和秦睿等[16]的研究結果相一致。這是由于石英砂表面由于缺少能與Cd(Ⅱ)結合的官能團，所以對Cd(Ⅱ)的吸附能力相對較弱，而SBA-15 是一種介孔分子篩，具有高度有序的可調(diào)孔道結構及較為均勻的孔徑分布，所以SBA-15對Cd(Ⅱ)的吸附較大。

圖2 SBA-15和石英砂對Cd(Ⅱ)的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of Cd(Ⅱ) adsorption on SBA-15 and quartz sand

2.2 SBA-15納米顆粒在石英砂介質(zhì)中的遷移

圖3為吸附Cd(Ⅱ)后SBA-15在石英砂介質(zhì)中的穿透曲線。由圖3可知，當系統(tǒng)不存在Cd(Ⅱ)時，SBA-15的穿透能力較弱，最大出流比C/C0為0.58；當系統(tǒng)存在較少的Cd(Ⅱ)時(1 mg/L Cd)，雖SBA-15對Cd(Ⅱ)的吸附并未達到飽和，但體系中的Cd(Ⅱ)全部被SBA-15吸附，導致SBA-15的遷移受到抑制，最大出流比為0.47；而當系統(tǒng)存在較多的Cd(Ⅱ)時(10 mg/L Cd)，SBA-15對Cd(Ⅱ)的吸附已經(jīng)達到飽和，且體系仍存在較多剩余的Cd(Ⅱ)，SBA-15的遷移受到強烈的抑制，出流比C/C0不足0.08。這說明，體系共存Cd(Ⅱ)會使SBA-15納米顆粒在飽和石英砂介質(zhì)中的遷移受到抑制，且共存Cd(Ⅱ)的質(zhì)量濃度越大，對SBA-15遷移的抑制作用越明顯。這一研究結果和前人的研究結果具有一定的相似性。例如，褚靈陽等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，當溶液中NaCl濃度由1 mmol /L增加至100 mmol /L時，納米羥基磷灰石懸液的穿透曲線出流比C/C0由0.75降至0.28；Wang 等[23]在研究中指出，當介質(zhì)中腐殖酸質(zhì)量濃度由0 mg/L 增加至10 mg/L時，生物炭納米顆粒懸液的出流比C/C0由0.92降低至0.77，相應的C/C0達到穩(wěn)定峰值所需PV數(shù)也相應增加。

圖3 Cd(Ⅱ)共存時SBA-15納米顆粒的遷移穿透曲線Fig.3 Breakthrough curves of SBA-15 nanoparticles in Cd(Ⅱ) existence condition

用公式(2)對不同條件下SBA-15在多孔介質(zhì)中遷移的穿透曲線數(shù)據(jù)進行擬合，結果見表1。由表1可知，各擬合結果的決定系數(shù)(R2)均大于0.85，說明用對流-彌散方程能較好地描述多孔介質(zhì)中SBA-15的遷移規(guī)律。隨著共存Cd(Ⅱ)的質(zhì)量濃度增加，多孔介質(zhì)中SBA-15遷移的阻滯因子(R)和不可逆吸附系數(shù)(μ)逐漸增大。

2.3 Cd(Ⅱ)在石英砂介質(zhì)中的遷移

圖4為SBA-15和1 mg/L Cd(Ⅱ)及10 mg/L Cd(Ⅱ)共存時Cd(Ⅱ)的穿透曲線。由圖4可知，在體系不存在SBA-15時，Cd(Ⅱ) 在石英砂介質(zhì)中的遷移能力較強，能快速達到穿透峰值(出流比C/C0可達0.99，接近1.0)。相比而言，10 mg/L Cd(Ⅱ)比1 mg/L Cd(Ⅱ)能更快地達到穿透峰值，出流比C/C0達峰值時對應的PV數(shù)分別為3.93和4.76。當體系有SBA-15存在時，Cd(Ⅱ) 在石英砂介質(zhì)中的遷移能力變?nèi)?。例如，?0 mg/L Cd(Ⅱ)條件下達到穿透峰值(出流比C/C0約0.94)對應的PV數(shù)約8.47，而在1 mg/L Cd(Ⅱ)的條件下，出流比C/C0始終接近于0。

表1 Cd(Ⅱ)共存時多孔介質(zhì)中 SBA-15的穿透曲線相關參數(shù)Table 1 SBA-15 transport parameters in porous media with Cd(Ⅱ) existence condition

圖4 Cd(Ⅱ)和SBA-15共存時Cd(Ⅱ)的遷移穿透曲線Fig.4 Breakthrough curves of Cd(Ⅱ) in Cd(Ⅱ) and SBA-15 coexistence condition

用公式(2)對不同條件下Cd(Ⅱ)在多孔介質(zhì)中遷移的穿透曲線數(shù)據(jù)進行擬合，結果見表2。由表2可知，除Cd(Ⅱ)較少時(1 mg/L)處理的數(shù)據(jù)無法擬合以外，其余各擬合結果的R2均大于0.90，說明用對流-彌散方程能較好地描述多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ)的遷移規(guī)律，SBA-15的共存會使多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ)遷移的R和μ增大。

表2 SBA-15共存時多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ) 的穿透曲線相關參數(shù)Table 2 Cd(Ⅱ)transport parameters in porous media with SBA-15 existence condition

2.4 石英砂介質(zhì)中SBA-15納米顆粒和Cd(Ⅱ)遷移過程的相互影響

研究發(fā)現(xiàn)，Cd(Ⅱ)的存在會使SBA-15的遷移受到抑制，造成填充柱流出液中SBA-15納米顆粒的出流比C/C0隨著Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度的增加而逐漸減小，且其達到穩(wěn)定的平臺峰值所需PV數(shù)也逐漸增加的原因可能是多方面的。首先，納米顆粒物具有納米尺寸的顆粒度、比表面積和表面能均較高，在遷移過程中容易通過顆粒碰撞而聚集成團并滯留[24-25]。其次，在納米顆粒的遷移過程中，由于多孔介質(zhì)和納米顆粒物之間產(chǎn)生的機械過濾、表面吸附等作用的影響，會使得納米顆粒的遷移速度小于水流運動速度，導致納米顆粒遷移能力受阻[24,26]，因而出流比C/C0達到穩(wěn)定的平臺峰值所需PV數(shù)也會逐漸增加。為了對這一原因進行深入分析，在試驗結束后，分別對不含SBA-15體系、1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系、10 mg/L Cd(Ⅱ)和SBA-15共存體系中的石英砂，進行了表面掃描電鏡分析，結果如圖5所示。由圖5-A可知，無SBA-15體系中，石英砂表面光滑潔凈；而當1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系、10 mg/L Cd(Ⅱ)和SBA-15共存體系中的石英砂表面粘附有大量的白色顆粒物(圖5-B和5-C)，且10 mg/L Cd(Ⅱ)和SBA-15共存體系中的石英砂表面粘附的白色顆粒物聚集要比1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系顯著。由于介質(zhì)化學環(huán)境的變化，會改變納米顆粒和介質(zhì)顆粒的表面電荷特征，從而影響相互之間的吸附和沉積過程，進而對納米顆粒的遷移造成影響[27]。為此，研究中對體系固體介質(zhì)的Zeta電位進行測定，結果表明，研究中石英砂多孔介質(zhì)的Zeta電位為- 86.8 mV，SBA-15懸液的Zeta電位- 55.7 mV；當有1 mg/L Cd(Ⅱ)和10 mg/L Cd(Ⅱ)共存時，SBA-15懸液的Zeta電位分別為+0.7 mV和+16.3 mV。這一結果和禇靈陽等[22]研究不同納米材料在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律時的發(fā)現(xiàn)相類似。例如，當在體系中引入1～10 mg/L腐殖酸時，納米羥基磷灰石懸液的Zeta電位會顯著增加[22]。介質(zhì)中存在的共存物質(zhì)會改變介質(zhì)組分的表面電荷特征，進而會對納米顆粒物的遷移行為產(chǎn)生顯著影響[22-27]。Zeta電位的變化可以用來解釋SBA-15共存時，Cd(Ⅱ)的出流比C/C0的變化。當SBA-15和1 mg/L Cd(Ⅱ) 共存時，由于SBA-15對Cd(Ⅱ)強烈的吸附作用，使得介質(zhì)中的Cd(Ⅱ)被完全吸附在SBA-15表面，從而導致出流比C/C0接近于0；而當SBA-15和10 mg/L Cd(Ⅱ)共存時，由于Cd(Ⅱ)不能被完全吸附在SBA-15表面，體系中仍有大量的自由Cd(Ⅱ)存在，因而出流比C/C0相對較高。

圖5 SBA-15(A)、1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系(B)和10 mg/L Cd(Ⅱ)和 SBA-15共存體系(C)體系中石英砂的掃描電鏡照片(×2 000)Fig.5 SEM images of quartz sand in SBA-15(A)、1 mg/L Cd(Ⅱ) +SBA-15(B) and 10 mg/L Cd(Ⅱ) + SBA-15(C) systems respectively

2.5 SBA-15納米顆粒對石英砂介質(zhì)中Cd(Ⅱ)界面分配的影響

本研究表明，SBA-15在環(huán)境介質(zhì)中的遷移能力相對較弱，當環(huán)境多孔介質(zhì)同時存在SBA-15和Cd(Ⅱ)時，會使SBA-15的遷移能力受到顯著抑制?？紤]到自然多孔介質(zhì)環(huán)境(如土壤)中水溶態(tài)Cd(Ⅱ)的含量一般較低，那么SBA-15納米顆粒進入含Cd(Ⅱ)的多孔環(huán)境時，在自身遷移能力受到抑制的同時，能否改變多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ) 的界面分配過程，則關系到多孔介質(zhì)中Cd(Ⅱ)的遷移行為。為此，研究進一步對遷移試驗中1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系的SBA-15的分配和總Cd(Ⅱ)、SBA-15結合態(tài)Cd(Ⅱ)及溶解態(tài)Cd(Ⅱ)的分配進行了分析，結果如圖6所示。由圖6-A中SBA-15的分配可知，穿透液中SBA-15的原始質(zhì)量濃度為50 mg/L，其在石英砂介質(zhì)中遷移時約有50%的SBA-15被滯留，另外50%被洗脫遷移；在SBA-15遷移的過程中，Cd(Ⅱ)的遷移主要受SBA-15的遷移所控制，幾乎全部的Cd(Ⅱ)以SBA-15吸附態(tài)的形式存在于多孔介質(zhì)中，伴隨著SBA-15的遷移而遷移，且水溶態(tài)的自由Cd(Ⅱ)較少[最高含量不足總Cd(Ⅱ)的0.3%，質(zhì)量濃度最高約2.97 μg/L]。這一結果暗示，對于實際土壤等多孔介質(zhì)而言，由于物理結構的不均一性(顆粒大小和孔隙分布不均勻)和化學組分的復雜性(富含有機酸和可溶性鹽類)，使得進入實際土壤的SBA-15納米顆粒容易發(fā)生團聚吸附等過程而被滯留，從而降低其在土壤中的遷移能力，而環(huán)境中存在的水溶性Cd(Ⅱ)可以被SBA-15強烈吸附，從而導致SBA-15的沉積滯留加劇，使得實際土壤成為滯留納米顆粒的天然屏障，可能會阻止其納米顆粒和Cd(Ⅱ)等污染物地下水的可能[10,24]。

圖6 1 mg/L Cd(Ⅱ) 和SBA-15共存體系中SBA-15(A)和Cd(Ⅱ)(B)在石英砂介質(zhì)中的分配Fig.6 Distributions of SBA-15(A)and Cd(Ⅱ)(B)in quartz sand porous media of the 1 mg/L Cd(Ⅱ) + SBA-15 system

3 結 論

與石英砂相比，SBA-15對Cd(Ⅱ)有較高的吸附能力。Cd(Ⅱ)的遷移能力在石英砂多孔介質(zhì)中高于SBA-15。 當Cd(Ⅱ)與SBA-15共存于石英砂多孔介質(zhì)中，SBA-15使Cd(Ⅱ) 在石英砂介質(zhì)中的遷移能力變?nèi)?，Cd(Ⅱ)遷移的R和μ增大。另外，Cd(Ⅱ)的存在也會強烈抑制SBA-15的遷移，且隨著共存Cd(Ⅱ)的質(zhì)量濃度增大，SBA-15的Zeta電位也由負變正，SBA-15遷移的R和μ也相應增加，導致SBA-15在石英砂顆粒上的沉積滯留增加。SBA-15對Cd(Ⅱ)的強烈吸附使得SBA-15和Cd(Ⅱ)在石英砂多孔介質(zhì)中的遷移過程伴隨有其在固相界面的分配和沉積作用，約50% SBA-15被滯留，從而抑制Cd(Ⅱ)在多孔介質(zhì)中的遷移能力。

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(責任編輯：史亞歌 Responsible editor:SHI Yage)

SBA-15 Transport and its Effect on Cd(Ⅱ) Mobility in Saturated Sand Media

GUO Zhanyu, GUO Di, JIANG Yahui, QIN Rui,ZHANG Zengqiang and LI Ronghua

(College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University, Yangling Shaanxi 712100, China)

This work aimed to evaluate the silicate nanoparticles (SBA-15) transport and its effect on Cd(Ⅱ) mobility in saturated porous sand media. The column experiment with constant flow rate was conducted to explore the breakthrough curves and deposition prafiles of Cd(Ⅱ), SBA-15 and Cd(Ⅱ) coexisting with SBA-15 and in porous media, while balanced convection-diffusion equation could be used to describe the breakthrough curves of Cd(Ⅱ) and SBA-15 transport. The results showed that mobility of Cd(Ⅱ) was higher than that of SBA-15 in sand porous media with the peakC/C0of Cd(Ⅱ) and SBA-15 effluents were 0.99 and 0.58 respectively. The presence of Cd(Ⅱ) might be inhibit the SBA-15 migration. With the increased Cd(Ⅱ) concentration from 0 to 10 mg/L, the retardation factor R and the irreversible rentention coefficient μ of SBA-15 effluent increased 1.43 and 4.78 times, respectively. In addition, the zeta potential of SBA-15 increased from -55.7 mV to +16.3 mV, which results more SBA-15 retained in the sand surface and leads to the Cd(Ⅱ) and SBA-15 transport inhibited in the porous media. Therefore, our findings proved that the agglomeration, retention and deposition effects could be significantly influence the transport of SBA-15 nanoparticles in the porous media and changed the solid surface Cd(Ⅱ) distribution.

Cd(Ⅱ)；SBA-15；Nanoparticles；Porous media；Transportation

2016-07-21 Returned 2016-10-24

The National Natural Science Foundation of China (No.41101288).

GUO Zhanyu, male, master student. Research area:remediation of polluted environment.E-mail:guozhanyu1992@163.com

LI Ronghua,male,master supervisor.Research area:remediation of polluted environment.E-mail: rh.lee@nwsuaf.edu.cn

日期：2017-08-18

2016-07-21

2016-10-24

國家自然科學基金(41101288)。 第一作者：郭瞻宇，男，碩士研究生，從事污染環(huán)境修復研究。E-mail: guozhanyu1992@163.com

李榮華，男，碩士生導師，主要從事污染環(huán)境修復研究。E-mail: rh.lee@nwsuaf.edu.cn

X703

A

1004-1389(2017)08-1259-08

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170818.0939.042.html