不同温度条件下氨氮在砂土中的吸附实验研究
王露1, 李铎1,2
1. 河北地质大学,石家庄 050031
2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室,石家庄 050031

第一作者简介: 王露(1988—),女,硕士研究生,主要从事水文地质环境地质研究。Email:xiaolu1990_2008@163.com

通信作者简介: 李铎(1963—),男,博士,教授,主要从事水文地质环境地质研究。Email:Liduo556688@126.com

摘要

温度的变化能够改变水体的环境,引起周围环境中的离子吸附解吸作用的变化。不同于其他土壤,砂土的保水保肥能力更差,砂土地区一旦发生氨氮(NH4+-N)污染,情况会更加严重和突出。为防治砂土地区N H4+-N污染提供理论依据与技术支持,通过N H4+-N的静态吸附试验,研究不同温度条件下N H4+N在粗砂、中砂、细砂中的吸附转化特征,得到如下结论: 在试验设置的温度区间内,总的趋势是温度越低,砂土对N H4+-N的吸附量越高,表明温度升高对N H4+-N的吸附有抑制作用,这主要是因为吸附过程中会产生弱放热效应,进而降低渗滤介质对N H4+N的平衡吸附量; 在25~30 ℃区间内存在硝化与反硝化作用的临界温度,当温度低于临界温度时,N H4+-N吸附量的减少主要是由于发生了硝化反应,当温度高于临界温度时,N H4+-N的吸附量减少主要是由于发生了反硝化反应。

关键词: 温度; 氨氮(N H4+-N); 吸附
中图分类号:X143.1;X141 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2017)02-0090-04
Experimental study on the adsorption of ammonia nitrogen in sand under different temperature conditions
WANG Lu1, LI Duo1,2
1. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China
2.Hebei Province Key Laboratory of Sustained Utilization and Development of Water Resources, Shijiazhuang 050031, China
Abstract

Temperature variation can change water environment, which causes the variation of adsorption and desorption of the ions in surroundings. The capability of preserve moisture and fertility in sand is worse than that in the other soil. Once the pollution of ammonium nitrogen (N H4+-N) happens in sand, the problems will be more serious. To provide theory and technology for preventing the pollution of ammonium nitrogen (N H4+-N) in sand, the authors studied the adsorption and transformation characteristics of ammonium nitrogen (N H4+-N) in coarse sand, medium sand and fine sand under different temperature conditions, based on the static adsorption experiment. The results show that in the setup temperature range, the lower the temperature is, the higher the adsorption capacity of ammonium nitrogen (N H4+-N) is, which indicates that the adsorption of ammonium nitrogen (N H4+-N) is inhibited by high temperature. And it is the cause that low exotherm of adsorption process can reduce the capability of equilibrium adsorption for ammonium nitrogen (N H4+-N). The transform temperature of nitrification and denitrification is between 25℃ and 30℃. When the temperature is lower than the transform temperature, the reduction of adsorption capability for ammonium nitrogen (N H4+-N) is due to nitrification. And when the temperature is higher than the transform temperature, the reduction of adsorption capability for ammonium nitrogen (N H4+-N) is due to denitrification.

Keyword: temperature; ammonium nitrogen (N H4+-N); adsorption
0 引言

温度的变化能够引起分子间的热运动, 从而改变水中溶解氧的含量, 引起周边环境的变化, 进而引起周围环境中的离子吸附解吸作用的变化[1, 2, 3]; 温度的变化还会影响微生物的生物活性, 进而改变水体的环境[4, 5]。关于氨氮(N H4+-N)在不同温度下的迁移转化特征国内外专家学者已进行过研究[6, 7, 8, 9], 但是针对砂土在不同温度条件下N H4+-N的吸附研究却比较少。不同于其他土壤, 砂土的保水、保肥能力更差[10, 11, 12], 所以砂土地区一旦发生N H4+-N污染, 情况会更加严重。本文通过对不同温度条件下N H4+-N静态吸附实验所得结果的分析和研究, 探讨了N H4+-N在砂土中的吸附规律, 以期为研究N H4+-N污染提供一定的借鉴, 为防治N H4+-N污染提供理论依据与技术支持。

1 实验材料与方法
1.1 砂样的采集与制备

实验所用的砂样取自河北省石家庄市滹沱河河漫滩和一级阶地。砂样取回后经晾干、研磨、筛分后用于物理性质分析, 其分析结果如表1所示。

表1 砂样的基本物理性质 Tab.1 Basic physical properties of the sand samples
1.2 实验方法

方法一: 配制N H4+浓度为100 mg/L的NH4Cl溶液, 测定初始浓度后备用; 分别称取粗砂、中砂、细砂各40 g, 放入500 ml三角瓶中, 按1∶ 5的砂液比各加上述配制溶液200 ml后用封口膜封口; 向水浴箱中加入适当水, 将温度设置为10 ℃后打开电源, 待温度达到初始设定温度后, 将上述样品放入水浴振荡器中, 并设定好振荡速度及振荡时间210 min; 振荡结束后取样, 做离心, 测定三氮浓度。在15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃及35 ℃温度条件下的操作步骤同10 ℃条件的。

方法二: 为了更确切地了解实验温度对砂土对N H4+-N吸附效果影响的研究, 又做了补充实验。该实验的前期步骤同方法一, 只是温度设置分别为20 ℃、25 ℃、30 ℃和35 ℃。为了用不同的方法验证结论, 本次实验振荡完后不再采用离心的方法, 而是采用滤纸过滤的方法, 测定过滤后的上清液中三氮的浓度, 进而分析数据, 得出结论。

2 实验结果与讨论
2.1 方法一实验结果

氨氮(N H4+-N)吸附量(S)、亚硝态氮(N O2--N)浓度(C1)、硝态氮(N O3--N)浓度(C2)随温度的变化曲线如图1图3所示。

图1 N H4+-N吸附量随温度的变化曲线Fig.1 Adsorption-temperature curves of N H4+-N in experimental soils

图2 溶液NO2--N浓度随温度变化曲线Fig.2 Concentration-temperature curves of NO2--N in the upper liquids of experimental samples

图3 溶液NO3--N 浓度随温度的变化曲线Fig.3 Concentration-temperature curves of NO3--N in the upper liquids of experimental samples

图1图3可知: 随着温度的升高, 粗砂对N H4+-N 的吸附量在10~15 ℃区间逐渐升高, 15~25 ℃区间逐渐下降, 25 ~30 ℃区间略微上升, 30~35 ℃区间又明显下降; N O2--N浓度、N O3--N浓度的变化趋势则不明显。但总的趋势是随着温度的升高, 吸附量减小。

中砂对N H4+-N 的吸附量在10~15 ℃区间逐渐升高, 15~25 ℃区间逐渐下降, 25~30 ℃区间略微上升, 30~35 ℃区间又略微下降; N O2--N和N O3--N的变化趋势不明显。但总的趋势是随着温度的升高, 中砂对N H4+-N的吸附量减小。

细砂对N H4+-N 的吸附量在10~20 ℃区间逐渐升高, 15~25 ℃区间逐渐下降, 25~35 ℃区间逐渐上升; N O2--N的浓度在10~25 ℃区间逐渐降低, 25~30 ℃区间逐渐升高, 30~35 ℃区间又略微降低; N O3--N在10~20 ℃区间逐渐升高, 20~25 ℃区间逐渐下降, 25~30 ℃区间又逐渐升高, 30~35 ℃区间略微升高, 变化趋势不明显。

综上所述, 砂土对N H4+-N的吸附量总的趋势是随着温度的升高, 吸附量减少。

影响介质在不同温度下对N H4+-N的吸附速率的因素主要有以下2个方面:

(1) N H4++H2O ⇆NH3· H2O+H+。N H4+的水解反应是吸热反应, 因此随着温度的升高, N H4+的水解平衡向右移动, 溶液中N H4+的浓度降低。

(2)扩散传质。随着温度的升高, 溶液黏度降低, 水分子和N H4+的热运动变得剧烈, 由溶液主体向渗滤介质表面的扩散速率增大。介质对N H4+-N的吸附作用实质是离子交换反应。温度升高, 有利于离子交换速率的提高。

2.2 方法二实验结果

氨氮(N H4+-N)吸附量(S)、亚硝态氮(N O2--N)浓度(C1)、硝态氮(N O3--N)浓度(C2)随温度的变化曲线如图4图6所示。

图4 N H4+-N吸附量随温度的变化曲线Fig.4 Adsorption -temperature curves of N H4+-N in experimental soils

图5 溶液NO2--N浓度随温度的变化曲线Fig.5 Concentration-temperature curves of NO2--N in the upper liquids of experimental samples

图6 溶液NO3--N随温度的变化曲线Fig.6 Concentration-temperature curves of NO3--N in the upper liquids of experimental samples

图4图6可知: 随着温度的升高, 粗砂对N H4+-N的吸附量在20~35 ℃区间逐渐下降; N O2--N的浓度在20~30 ℃区间缓慢减少, 但是减少程度可以忽略不计, 在30~35 ℃区间逐渐升高; N O3--N的浓度在20~30 ℃区间逐渐增高, 在30~35 ℃区间逐渐降低。可以看出, 随着温度的升高, 粗砂对N H4+-N的吸附量总的趋势是减小的: 在20~30 ℃区间粗砂对N H4+-N的吸附量减少, N O2--N浓度降低, N O3--N浓度却升高, 说明发生了硝化反应, N H4+-N转化为N O2--N及N O3--N; 30 ℃之后, 粗砂对N H4+-N的吸附量减少, N O2--N浓度增加, N O3--N浓度降低, 说明发生了反硝化作用。

随着温度的升高, 中砂对N H4+-N的吸附量在20~35 ℃区间逐渐下降, N O2--N及N O3--N浓度略微升高; 在30~35 ℃区间N O2--N及N O3--N浓度都降低了, 说明在20~30 ℃区间发生了硝化反应, N H4+-N转化为N O2--N及N O3--N; 30 ℃之后, 中砂对N H4+-N的吸附量减少, N O2--N减少, N O3--N浓度降低, 说明发生了反硝化作用。

随着温度的升高, 细砂对N H4+-N的吸附量在20~35 ℃区间逐渐下降; 在20~25 ℃区间细砂对N H4+-N的吸附量减少, N O2--N浓度降低, N O3--N浓度却升高, 说明发生了硝化反应, N H4+-N转化为N O2--N及N O3--N; 30 ℃之后, 细砂对N H4+-N的吸附量减少, N O2--N浓度增加, N O3--N浓度降低, 说明发生了反硝化作用。

3 结论

(1)随着温度的升高, 含水介质对N H4+-N的吸附量逐渐降低。在试验设置的温度区间内, 总的趋势是温度越低, N H4+-N的吸附量越高, 表明温度升高对N H4+-N的吸附有抑制作用。这主要是因为吸附过程中会产生弱放热效应。

(2)在25 ~30 ℃区间存在硝化作用与反硝化作用的临界温度, 当温度小于临界温度时, N H4+-N吸附量的减少主要是由于发生了硝化反应, 即N H4+先转化为N O2-再进而转化为N O3-的过程。当温度高于临界温度时, N H4+-N的吸附量减少主要是由于发生了反硝化反应, 这也是N O3-浓度减少的原因。

The authors have declared that no competing interests exist.

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