, 陈爱侠1,2
, 陈贝3, 孟建昊1,2, 胡卫星1,21. 长安大学环境科学与工程学院, 西安 710054;
2. 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054;
3. 长安大学海威环境技术公司, 西安 710054
收稿日期: 2018-08-20; 修回日期: 2019-01-16; 录用日期: 2019-01-16
基金项目: 陕西省自然科学基金-青年基金（No.2018JQ2025）
作者简介: 王雪平(1994-), 女, E-mail:wxp1167@163.com
通讯作者（责任作者）: 陈爱侠, E-mail:489520939@qq.com
摘要: 河流水体和沉积物中酚类EDCs因其广泛存在和危害持久受到广泛关注，为研究自然条件下河流沉积物上多种酚类EDCs共存的吸附行为，本文以苯酚（phenol）和双酚A（bisphenol A，BPA）为目标污染物，灞河表层沉积物为吸附剂，通过静态吸附实验研究二者在单溶质和双溶质体系下的吸附等温特性，在此基础上，采用位点能量分布理论分析污染物之间的竞争吸附机理.结果表明，相同浓度（1~50 mg·L-1）条件下，单溶质体系的苯酚吸附位点主要集中于高能量位；双酚A吸附位点主要分布于低能量区.双溶质体系下，相同浓度的两种物质位点分布函数均随着位点能量的增大而呈指数降低，苯酚下降趋势较为平缓，吸附位点分布更均匀.两种体系相比较，双溶质体系下苯酚平均位点能量和位点能量非均质性分别降低0.867%和3.473%，吸附位点数量降低1.230%；双酚A平均位点能量和位点能量非均质分别增大了6.074%和14.992%，吸附位点数量增大6.389%.即双溶质体系下，二者之间存在一定的竞争吸附，双酚A处于竞争优势.
关键词:竞争吸附位点能量分布苯酚双酚A沉积物
Competitive adsorption of phenol and bisphenol A on sediment by site energy distribution theory
WANG Xueping1,2
, CHEN Aixia1,2 , CHEN Bei3, MENG Jianhao1,2, HU Weixing1,2 1. School of Environmental Science and Engineering, Chang'an University, Xi'an 710054;
2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Xi'an 710054;
3. Haiwei Environmental Technology Company, Chang'an University, Xi'an 710054
Received 20 August 2018; received in revised from 16 January 2019; accepted 16 January 2019
Abstract: Phenolic EDCs have been driving extensive research interests due to their prevalence and persistence in water and sediments. In this study, the static adsorption experiments, which contained single or dual species of phenol and bisphenol A (BPA) in the system, were carried out to characterize the isotherms of adsorption of the two pollutants on the surface sediments in Ba River. The theory of site energy distribution was employed to interpret the experimental data, so as to understand the mechanisms underlying the competitive adsorption of the two contaminants. In the system that contained the same concentration(1~50 mg·L-1) of single contaminant, the adsorption sites of phenol were mainly in the high energy level, whereas the adsorption sites of bisphenol A were mainly in the low energy region. Compared to phenol, BPA had priority during the process of adsorption on sediments. In the system containing the same concentration (1~50 mg·L-1)of dual contaminants, exponential decrease was found for the distribution functions of both substances with the increasing site energy. The decline trend of phenol was more moderate, and the distribution of adsorption sites was more homogeneous. When compared to the single-contaminant system, the average site energy and site energy heterogeneity of phenol in the dual-contaminant system decreased by 0.867% and 3.473%, respectively, and the number of adsorption sites decreased by 1.230%. When compared to the single-contaminant system, the average site energy and site energy heterogeneity of BPA increased by 6.074% and 14.992%, and the number of adsorption sites increased by 6.389%. The results suggest that there is competition between phenol and BPA during the process of adsorption on the sediments, and the bisphenol A was in an advantage position.
Keywords: competitive adsorptionsite energy distributionphenolbisphenol Asediments
1 引言(Introduction)内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals, 即EDCs)因其广布于环境且污染持久而引起了广泛关注(Bautistatoledo et al., 2005).酚类EDCs作为高毒物质, 即使低浓度下对人体和动物的健康也会造成一定危害, 在我国主要流域和湖泊水体中已检出多种酚类EDCs, 污染情况不容乐观.苯酚和双酚A作为酚醛树脂、环氧树脂、聚碳酸酯塑料和合成纤维的重要化工原料, 用量颇大(崔小明, 2015；Im et al., 2015), 而其中约25%将被释放到环境中(USEPA, 2010).
沉积物作为水环境的重要介质, 是污染物在环境中迁移、转化和累积的主要载体和重要非均相吸附剂(黄丽敏等, 2017), 然而污染物在沉积物中的赋存容易受到环境因素的影响, 从而导致沉积物中的污染物重新回到水体, 造成“二次污染”.研究表明, 天津大沽河沉积物中酚类EDCs的最高浓度可达到2937 mg·kg-1(Zhong et al., 2018), 我国大部分水域沉积物中检出苯酚和双酚A(路屏, 2012；王彬等, 2012；杨跃志等, 2013；Diao et al. 2017；闫永胜, 2017).因此, 研究河流中沉积物对酚类EDCs的吸附行为非常必要.
水环境中的吸附过程是污染物在水体和固相沉积物之间分配的重要途径, 污染物主要通过该过程多数转移至沉积物中.然而环境中的酚类EDCs并非单一种类, 而是多种污染物混合存在.相关****研究表明两种以上酚类EDCs在单溶质和多溶质体系的吸附效果不同, 存在竞争或协同作用, 针对溶质之间这种相互作用的研究多集中于通过对比吸附量、吸附速率等参数拟合动力学或吸附等温模型进而解释竞争或协同作用的内在机理(关伟等, 2010；Gao et al., 2011；Li et al., 2013；Ou et al., 2016).然而通过吸附等温得到的结论较片面, 位点能量分布曲线可以较全面地描述非均质物质表面的吸附特性(Yan et al., 2016), 解释不同物质吸附之间的差异, 说明物质之间的竞争作用, 对于具有相似结构的吸附等温体系尤为适用(Huang et al., 2018).位点能量分布理论在碳材料、气体分子和其他金属氧化物纳米吸附材料等方面广泛应用(沈伟松, 2017), 在土壤和沉积物方向的研究主要集中于利用该理论解释农药类污染物在土壤颗粒物上的吸附行为、共存污染物对研究对象的影响和多种重金属共存环境下的竞争吸附问题(Yuan et al., 1999；李克斌等, 2003；Wang et al., 2005；吴颖虹等, 2009；Huang et al., 2018).位点能量分布理论可为污染物在沉积物上的迁移转化研究提供更为全面的理论基础, 然而以该理论分析酚类EDCs在河流沉积物上竞争吸附的研究鲜有报道.
流域持久性污染物的治理是当下环境领域的研究热点, 河流中沉积物上酚类EDCs的迁移、转化规律和吸附行为的研究可为环境治理提供理论依据.为了研究不同酚类EDCs在沉积物上的吸附行为, 本文以灞河沉积物为吸附剂, 苯酚和双酚A在沉积物上的吸附等温特性为基础, 运用位点能量分布理论, 讨论二者在沉积物上的竞争吸附行为, 以期为河流中酚类EDCs污染治理提供理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 材料与仪器材料：苯酚(分析纯)、双酚A(标准分析样)、甲醇(CH3OH、色谱纯)、氯化钙(CaCl2)、叠氮化钠(NaN3)等.
仪器：Waters 1525液相色谱仪(UV检测器)、SHA-C水浴恒温振荡器等.
2.2 样品前处理沉积物：样品采于灞河(109°00′49.64″ E, 34°21′14.72″ N)沉积物表层, 风干、研磨, 过筛, 装好密封备用.所选样品pH(水作浸提液)为8.33, 总有机碳TOC为0.302%.
溶液配制：分别称量0.025 g苯酚和双酚A固体置于烧杯中, 加入1 mL甲醇后搅拌至完全溶解.将溶解于甲醇的苯酚和双酚A分别转移入250 mL容量瓶, 用蒸馏水稀释至刻度线, 得到浓度为100 mg·L-1的溶液.将其混合均匀后放置于冰箱保存备用(4 ℃以下).两种物质的理化性质见表 1.
表 1(Table 1)
| 表 1 苯酚和双酚A的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of phenol and BPA | ||||||||||||||||||||
表 1 苯酚和双酚A的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of phenol and BPA
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分别量取1 mL浓度为100 mg·L-1的苯酚和双酚A溶液, 将二者置于100 mL的容量瓶, 利用蒸馏水稀释至刻度线, 摇匀备用.浓度为2、5、10、25和50 mg·L-1的混合溶液配置方法同1 mg·L-1混合溶液的方法.实验所量取混合溶液中甲醇所占比例为0.004%~0.2%, 控制在0.2%以下.
2.3 实验方法2.3.1 吸附试验本研究采用静态吸附方法.实验分为3组(A、B和C组), 固液比为1：10(娄保锋, 2004；Ou et al., 2016).每组实验均称取1.0 g沉积物样品于若干50 mL锥形瓶中.向A组锥形瓶中分别加入10 mL浓度为1、2、5、10、20、25、50 mg·L-1的苯酚溶液, B组和C组锥形瓶内分别加入相同体积和浓度梯度的双酚A溶液和苯酚、双酚A的混合溶液.所有溶液中均加入CaCl2(111 mg·L-1)和NaN3(1.0 mg·L-1)溶液以保持离子强度并抑制微生物活性.将上述所有样品以25 ℃、180 r·min-1条件于恒温水浴振荡器中振荡8 h后取出样品, 取其上清液经0.22 μm过滤器后进行色谱分析.
液相色谱测定条件：乙腈/水=5/5；进样量20 μL；流速1 mL·min-1；检测波长280 nm.
2.3.2 误差控制A、B、C 3组实验均设置平行样(一式3份), 实验数据取其平均值.苯酚加标回收率为93.4%, 双酚A加标回收率为104.9%, 均介于90%~110%之间, 测定方法可靠.实验过程中苯酚和双酚A的最大相对标准误差分别为4.260%和4.195%, 实验精密度较好.
2.4 位点能量分布非均相吸附剂的吸附位点能量分布可通过式(1)(Yan et al., 2017)的积分方程得到：
 | (1) |
采用Cerofolini提出的“近似凝聚法”表达E*与Ce的关系式(黄丽敏等, 2017)：
 | (2) |
相关研究表明, 疏水性物质在吸附过程中会导致吸附位点能量分布改变, 因此提出了将吸附等温和点位能量分布相关联的模型：
 | (3) |
由Langmuir模型和Freundlich模型及公式(2)和(3)可得吸附位点分布方程(王驰, 2015)：
 | (4) |
 | (5) |
表 2(Table 2)
| 表 2 单溶质体系下苯酚和双酚A的吸附等温参数 Table 2 Parameters of adsorption isotherm of phenol and BPA in the single-contaminant systems | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 单溶质体系下苯酚和双酚A的吸附等温参数 Table 2 Parameters of adsorption isotherm of phenol and BPA in the single-contaminant systems
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如图 1所示, 同等浓度(1~50 mg·L-1)条件下, 单溶质体系的苯酚吸附位点能量分布于19.1~29.5 kJ·mol-1, 位点能量非均质性σe*是2.275, 集中于高能量区；双酚A位点能量偏向于低位能区域, 位点能量为3.7~17.2 kJ·mol-1, 位点能量非均质性σe*是2.528.两种污染均浓度越低, E*越大；在位点能量分布范围内, 两种污染物的F(E*)均随着E*的增大而呈指数降低, 相比之下, 苯酚位点能量分布函数的下降速度远小于双酚A, 其吸附位点在高能量区域分布较均匀.在一定能量范围内, 曲线下方面积可视为吸附位点的数量(李克斌等, 2003).因此, 同浓度(1~50 mg·L-1)的两种污染物在单一体系下, 双酚A在沉积物获得的吸附位点更多.
图 1(Fig. 1)
 |
| 图 1 单溶质体系下基于吸附等温模型的位点能量分布 Fig. 1Site energy distribution of single-contaminant system based on adsorption isotherm model |
3.2 双溶质体系下苯酚和BPA的吸附等温特性采用Langmuir模型和Freundlich模型对双溶质体系的两种污染物的吸附等温数据进行拟合, 相关参数见表 3.结果表明, Freundlich模型较Langmuir模型更为适合表达苯酚和双酚A在沉积物上的吸附情况, 表示吸附强度的n值分别为0.938和0.725, n值越小, 吸附剂的异质性越高(Yan et al., 2016).双溶质体系下苯酚的n值增加8.691%, 而双酚A的n值则下降17.614%, 即苯酚的位点分布更为均匀.在此基础上对其吸附位点能量分布状况进行分析.
表 3(Table 3)
| 表 3 双溶质体系下苯酚和BPA的吸附等温参数 Table 3 Parameters of adsorption isotherm for phenol and BPA in the double-contaminant systems | |||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 双溶质体系下苯酚和BPA的吸附等温参数 Table 3 Parameters of adsorption isotherm for phenol and BPA in the double-contaminant systems
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双溶质体系下的苯酚和双酚A的位点能量分布见图 2, 双溶质体系下两种污染物的位点能量分布曲线分布与单溶质相似, 吸附行为也是相似的.相同浓度(1~50 mg·L-1)的苯酚和双酚A位点能量分布不同, 苯酚吸附位点主要集中于高能量位, 19.1~29.6 kJ·mol-1, 位点能量非均质性σe*是2.196；双酚A位点能量分布于3.6~17.9 kJ·mol-1, 位点能量非均质性σe*是2.907.与单溶质体系下两种污染物的吸附位点相比, 双溶质体系的苯酚平均位点能量降低0.867%, 位点能量分布非均质性降低3.473%, 吸附位点数量降低1.230%；而双酚A平均位点能量上升6.074%, 位点能量分布非均质性增加了14.992%, 吸附位点数量增加6.389%.σe*值越小, 物质的吸附位点分布越均匀.即双溶质体系下, 苯酚的吸附位点向低能位点移动, 但总量降低, 分布较均匀；而双酚A吸附位点向高能位迁移, 吸附位点数量增大, 分布更不均匀.两种污染物在Freundlich模型拟合所得到的n值和二者的非均质性变化均说明了双溶质条件下苯酚吸附位点的分布更为集中, 而双酚A位点分布均匀性更差.
图 2(Fig. 2)
 |
| 图 2 双溶质体系下基于吸附等温模型的位点能量分布 Fig. 2Site energy distribution of dual-contaminant system based on adsorption isotherm model |
3.3 基于位点能量分布对苯酚和双酚A竞争吸附行为分析由图 3和表 4可知, 双溶质等浓度(1~50 mg·L-1)条件下, 苯酚平均位点能量Em由21.727 kJ·mol-1降低至21.539 kJ·mol-1, 位点能量非均质性σe*由2.275减小至2.196；双酚A的Em由6.441 kJ·mol-1增加至6.832 kJ·mol-1；σe*由2.528增加至2.907.即双溶质体系下, 双酚A的吸附位点分布范围向高位能区扩大, 而苯酚则向着低位能区的位点移动, 这种变化导致了苯酚的位点分布更为均匀, 双酚A位点分布的均匀性更差.两种污染物在双溶质体系下的总吸附位点量比单溶质体系下的总吸附位点量增加5.626%, 双酚A在占据苯酚边缘吸附位点的同时可能置换出苯酚特定吸附位点, 即双酚A在双溶质体系中处于竞争优势.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 不同溶质体系下苯酚(a)及双酚A(b)位点能量分布 Fig. 3Site energy distribution of phenol(a) and BPA(b) in two systems |
表 4(Table 4)
| 表 4 苯酚和双酚A在不同体系中吸附位点能量分布特征参数 Table 4 Parameters of adsorption energy distribution of phenol and BPA in single- and dual-contaminant systems | ||||||||||||||||||||
表 4 苯酚和双酚A在不同体系中吸附位点能量分布特征参数 Table 4 Parameters of adsorption energy distribution of phenol and BPA in single- and dual-contaminant systems
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实验表明, 污染物浓度较大时, 沉积物对污染物的吸附能力较强, 高能吸附位点少, 吸附过程主要发生在低位能区域.双溶质体系下双酚A的位点分布区域向低能区扩大, 其在沉积物表面的移动更为容易, 从而可能占据苯酚的边缘位点, 即当污染物浓度较低时, 吸附过程发生在高能位.然而双溶质体系下污染物向着同一能量范围的吸附位点移动, 二者之间发生位点竞争, 苯酚的吸附位点被双酚A置换, 沉积物对苯酚的吸附能力降低, 位点总量减小.而苯酚和双酚A均含有羟基, 高浓度下水相中的苯酚和已吸附于污染物上的双酚A之间会形成新的氢键和π-π键, 游离的苯酚分子会附着于双酚A分子上, 促进二者之间的相互作用(吴颖虹等, 2009；Shi et al., 2013；Ou et al., 2016).
3.4 其他因素对酚类吸附行为的影响分析影响吸附过程的因素主要分为两类, 污染物的性质和吸附剂的组成与理化性质, 同时环境因素也会对污染物的吸附行为产生间接影响.河流沉积物是典型的非均相吸附剂, 其因具有较多孔隙, 含有有机物、碳酸盐等无机矿物质、胶体和粘土等多种成分, 表面具有较多活跃的吸附位点, 导致该类吸附过程主要以物理吸附为主、其他吸附行为为辅(赵越, 2013).而吸附强度则取决于沉积物有机质含量、颗粒粒径大小及表面特征等因素.污染物在颗粒粒径小、有机质含量高的沉积物上吸附量较大.灞河沉积物有机碳含量低, 不足1%, 相较于高有机质沉积物, 这类沉积物对污染物吸附效果较差, 吸附量较小.
污染物的理化性质是影响污染物吸附的重要因素.苯酚和双酚A作为可电离的弱酸性疏水性物质, 其可通过离子交换耦合、疏水键、氢键和色散力作用等多重物理化学作用吸附于沉积物表面.此外, 疏水性有机物之间的影响显著体现在高位能区, 对低位能部分影响较小(Wang et al., 2005).双酚A的辛醇-水分配系数更大, 溶解度更小, 即其疏水性更强, 在沉积物上的竞争吸附能力更强.
4 结论(Conclusions)本文通过位点能量分布理论分析了单溶质和双溶质下河流沉积物对苯酚和双酚A的吸附特性, 结果表明二者之间存在一定的竞争吸附, 且双酚A处于竞争优势.位点能量分布理论相较等温吸附研究更全面地解释了物质之间竞争吸附的机理, 即双溶质体系下, 双酚A占据了苯酚的边界吸附位点, 并置换出特定吸附点位的苯酚.与此同时, 双酚A与苯酚之间形成新的氢键和π-π键, 使得游离的苯酚分子连接于双酚A分子上.研究成果揭示了自然环境下沉积物上多种酚类EDCs共存的吸附行为, 丰富了位点能量分布理论的应用范围, 为河流沉积物中多种共存有机污染物之间的竞争吸附研究提供一定参考.
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