土壤对金属的吸附作用

土壤中无机或有机组分都可能选择性地或非选择性地吸附阳离子。非选择性阳离子吸附的主要机理是静电力的作用。例如，土壤中层状铝硅酸盐组分就能非选择性地吸附碱金属和碱土金属的阳离子。这些离子被吸附的能力与很多因素有关。如果将被吸附阳离子的电荷看成点电荷，则价数越大者，受吸附力越大。如果各阳离子价态相同，则受吸附力与离子的结晶半径和水合半径有关。按库仑定律，离子结晶半径越大，相应水合半径越小，则受吸附力越大。土壤溶液中一些阳离子受吸附力按如下次序递减：Fe³⁺、Al³⁺、H^+、Ba2+、Sr²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cs^{+、Rb+、NH4+、K+、Na+、Li+。半径小、水化能力} 弱、运动速度大的 H^{+在土壤中受到很大吸附力。}

有些阳离子能在土壤中发生结合力强得多的选择性（同晶或类晶）吸附，这种情况下，对象阳离子能穿透土壤构成物质原子的配位壳层，并进一步通过与 O 基团、OH 基团间形成的共价键，与土壤构成物质的原子相键合。例如铝、铁、锰的水合氧化物和氢氧化物能选择性地吸附碱土金属离子（钡、钙、锶、镁）和重金属离子（铅、铜、锌、铬、镍、钒、镉、钴）。

如上所述，土壤胶粒的键合位置原先就被各种吸附着的阳离子所占据，当作为污染物的重金属离子进入土壤后，就只能通过取代性的离子交换作用而被土壤胶粒所吸附。可将原先被吸附于胶粒的阳离子分为两类。一类是被牢固吸附的不可交换性阳离子，如处于 1∶1 型粘土晶层之间的某些被吸附阳离子；另一类是被宽松吸附的可交换性阳离子，如处于胶粒表面或碎裂晶体边缘处的被吸附阳离子及被吸附于 2∶1 型粘土晶层间的阳离子。一般用阳离子交换容量（CEC）来表征土壤胶体交换外来阳离子的能力。土壤中主要反应性组分的近似 CEC 值及与之相关的表面特性列举在表 9-8 之中。作为解说的一个例子，蒙脱土属于 2∶1 型粘土类，其电荷密度较小，硅层间接合不牢固，因而层间距大，外来离子容易扩散进入而发生交换吸附，所以有较大的 CEC 值。

表 9-8 土壤中反应性组分的表面特性（pH=7）

组分	近似表面积 (m2/kg)	近似表面电荷密度 [μmol(c)/m2]	电荷性质	近似 CEC 值 [mol(c)/kg]*
高岭土	(1～2)×104	1～6	pH 制约性	0.02～0.06
伊里石	1×105	3	永久性	0.3
蒙脱土	8×105	永久性	1.0
蛭石	8×105	2	永久性	1.4
铁或铝的氧化物	3×104	0.2	pH 制约性	0.005
水铝英石	(5～7)×105	1.5	pH 制约性	0.8
腐植酸	9×105	3	pH 制约性	3.0

* mol(c)代表 6.02×1023 静电单位

进入土壤溶液的金属阴离子 Cr（Ⅵ）、As（Ⅲ）等可能取代土壤胶粒表面作为配位体的 OH^{-或 H
O，从而发生选择性的交换作用，但这种作用较弱。}

土壤吸附重金属的平衡关系颇符合弗里德里胥方程，由实验测得多种金属的 Ka 和 1/n 值列举在表 9-9 之中。

表 9 — 9 各种金属的 Ka 和 1/n 值

土壤组分	Hg	Cd	Pb	Cr(Ⅵ)	Cr(Ⅲ)
	K a	1/n	K a	1/n	K a	1/n	K a	1/n	K a	1/n
水铝英石	2.2	0.61	0.21	0.64	0.98	0.49	0.25	-	1.8	-
水铝英石	0.60	0.43	0.15	0.44	3.6	0.40	0.07	-	1.9	-
(含 13%腐植质)
蛭石	0.69	0.45	0.30	0.60	0.66	0.53	0.01	-	1.3	-
蒙脱土			0.63	0.46	1.32	0.44	0.01	-	1.3	-
高岭土			0.11	0.52			0.03	0.43

土壤对重金属阳离子的吸附能力按以下次序递降： Pb＞Cu＞Zn＞Cd＞ Ni，Hg 在序列中的位置依实验条件而异。对于呈阴离子状态的金属而言，Pb、Cu 被吸附能力较强而 Cr、As 较弱。