实验五 底泥对结晶紫的吸附作用
一、实验目的
1.测定底泥对结晶紫的吸附等温线，求出吸附常数，比较它们对结晶紫的吸附能力。
2.了解水体中底泥的环境化学意义及其在水体自净中的作用。
3.理解和掌握底泥的组成对污染物吸附系数的影响及机理。
二、实验原理
实验模拟配置含有一定量有机碳（粉末活性炭）模拟底泥样品为吸附剂，研究不同组成的底泥对一系列浓度结晶紫的吸附情况，计算平衡浓度和相应的吸附量，通过绘制等温吸附曲线，分析底泥的吸附性能和机理。
结晶紫在波长540nm有最大吸收峰，本实验采用分光光度法在波长540nm处测定吸光度，定量水中结晶紫的含量，结晶紫浓度范围在0.02～20mg/L范围内线性较好。
三、仪器试剂
1.仪器
（1）恒温调速振荡器。
（2）低速离心机。
（3）可见光分光光度计
（4）碘量瓶：150mL。
（5）离心管：5mL。
（6）比色管：25mL。
（7）移液管：1mL、2mL、5mL、10mL、20mL。
2.试剂
（1）1000mg/L结晶紫标准储备液。
（2）50mg/L结晶紫标准溶液：取结晶紫标准储备液5mL，稀释至100mL。
（3）25mg/L的结晶紫溶液：量取1000mg/L结晶紫标准储备液25mL，稀释至1000mL。
（4）底泥样品的制备：采集一定质量的底泥样品，自然风干，混匀，过60目筛，储存于广口试剂瓶中。此样品称作底泥1。
（5）制备含有一定量有机碳的底泥：称取一定量的粉末状活性炭和制备好的底泥样品，在白瓷中按照质量比（1∶20、1∶50、1∶100）分别制备含有不同有机碳含量的500g底泥样品三份。按照有机碳含量做好标记。分别记作底泥2、底泥3和底泥4。
四、实验步骤
1.标准曲线的绘制
分别取50mg/L的结晶紫标准溶液0、1.00mL、2.00mL、2.50mL、5.00mL和10.00mL于6个25mL比色瓶中，用蒸馏水定容至25mL。混匀，放置5min后，在分光光度计上，于540nm波长处，用1cm比色皿，以蒸馏水为参比，测量吸光度。以吸光度对浓度作图绘制标准曲线。
2.吸附实验
取14只干净的150mL碘量瓶，分为A、B两组。每组7个，编号分别为A1～A7和B1～B7，分别在A组的每个瓶内放入0.50g左右的底泥样品1，在B组的每个瓶内放入0.50g左右的底泥样品2（底泥样品2可任意选取制备好的三种底泥样品中的一种，做好记录）（称量底泥样品要称准到0.0001g，其他称量与此相同）。然后按表3-9所给体积加入浓度为25mg/L的结晶紫溶液和蒸馏水，加塞密封并摇匀后，将瓶子放入振荡器中，在（25±1.0）℃下，以150～175r/min的转速振荡2h，静置30min后，在低速离心机上以3000r/min速度离心5min，移出上清液3mL左右至1cm比色皿中，用蒸馏水调零，在540nm处测定吸光度，利用标准曲线计算结晶紫的浓度，并计算出结晶紫的平衡浓度。
表3-9 结晶紫加入的浓度系列
五、实验结果记录与整理
1.结晶紫的标准曲线数据记录见表3-10。
表3-10 结晶紫的标准曲线
2.底泥吸附结晶紫的吸附等温线数据记录见表3-11。
表3-11 底泥吸附结晶紫的吸附等温线
六、数据处理和分析
1.计算平衡浓度Ce及吸附量Qe：
平衡浓度Ce：依据测定的吸光度，代入标准曲线的线性方程计算的浓度即为平衡浓度Ce；
（3-7）
式中 C0——起始浓度，mg/L；
Ce——吸附平衡时溶液中结晶紫的浓度，mg/L；
V——吸附实验中所加结晶紫溶液的体积，mL；
m——吸附实验所加底泥样品的质量，g；
Qe——结晶紫在底泥样品上的吸附量，mg/kg。
2.利用平衡浓度和吸附量数据绘制结晶紫在底泥上的吸附等温线。
3.采用Freundlich吸附等温式描述。即：
（3-8）
式中 Qe——底泥对结晶紫的吸附量，mg/g；
Ce——吸附平衡时溶液中结晶紫的浓度，mg/L；
K、n——经验常数，其数值与离子种类、吸附剂性质及温度等有关。
将Freundlich吸附等温式两边取对数，可得：
（3-9）
以lgQe对lgCe作图可求得常数K和n，将K、n代入Freundlich吸附等温式，便可确定该条件下的Freundlich吸附等温式方程，由此可确定吸附量Qe和平衡浓度Ce之间的函数关系。
4.采用langmuir吸附等温式描述。即：
（3-10）
式中 Qmax——底泥对结晶紫的最大吸附量，mg/kg；
Ce——吸附达平衡时溶液中结晶紫的浓度，mg/L；
KL——Langmuir吸附常数。
将Langmuir吸附等温式两边取倒数，可得：
（3-11）
以Ce/Qe对Ce作图可求得常数KL和Qmax，将KL和Qmax代入Langmuir吸附等温式，便可确定该条件下的Langmuir吸附等温式方程，由此可确定吸附量Qe和平衡浓度Ce之间的函数关系。
5.依据两种吸附方程的线性关系的显著性检验结果，确定底泥对结晶紫吸附方程的类型，求解相关吸附参数，计算K，比较两种底泥的吸附常数的大小，讨论底泥中有机碳含量对吸附常数的影响。
七、思考题
1.影响底泥对结晶紫吸附系数大小的因素有哪些？
2.哪种吸附方程更能准确描述底泥对结晶紫的等温吸附曲线？为什么？
双语词汇
吸附等温线 adsorption isotherm
表面吸附surface adsorption
吸附系数adsorption co-efficient
标准化的吸附系数normal adsorption co-efficient
共沉淀co-precipitation
吸附动力学adsorption kinetics
吸附热力学adsorption thermodynamics
知识拓展
底泥重金属污染的修复技术
在水生态系统中，底泥是主要的沉积相和污染源（汇）。一旦水体受到重金属的污染，进入水体的重金属大部分在物理化学作用下转化为固相，沉积于河流底泥中底泥中的重金属不稳定，将会随着水体环境条件的变化重新释放出来，进入水体污染水环境，最终通过生物链富集作用危害人体健康。当前对于底泥重金属污染修复技术，按照修复位置分为原位修复和异位修复两大类。在工程实践中，受到异位修复高投入成本的影响，一般采用原位修复，其技术可分为物理修复、化学修复、生物修复以及三种技术的联用。
物理修复是运用工程技术直接或间接消除底泥中重金属的修复方法，主要包括直接取出底泥污染物的疏浚和间接消除底泥重金属污染的填沙掩蔽、固化掩蔽等。化学修复是利用化学制剂与污染底泥发生氧化、还原、沉淀、聚合等反应，使重金属从底泥中分离或转化成无毒化学形态的修复方法。植物修复是利用植物吸收、沉淀、富集污染区的重金属，从而降低重金属含量。微生物修复是利用微生物生命活动降低或消除重金属污染。
目前，底泥重金属污染尚无有效的治理措施，底泥重金属污染成功被修复的实例也不多。单一修复手段不能彻底解决底泥重金属污染问题，尤其是底泥中复杂的重金属复合污染问题，因而寻求多种重金属污染的联合修复技术，整合各技术的优点，避其不足，以高效率、低能耗修复底泥重金属污染是未来发展的方向。