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水体沉积物吸附重金属的研究进展
王胜利 曾静静 杨苏才 南忠仁
(兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000)
摘 要:本文对水体沉积物吸附重金属的研究进行了综述。主要讨论了沉积物吸附重金属的
研究方法，吸附机理，吸附性能指标和影响因子等方面的内容；并进行了研究展望。目前静
态法是水体沉积物吸附重金属研究中主要的方法；依据吸附机理的不同，分为专性吸附和非
专性吸附，还有一些不同的观点如水解吸附、表面络合、沉淀和离子交换等等；吸附性能指
标主要有吸附速率、吸附等温线中的参数、吸附率、分配系数和吸附势等；影响沉积物吸附
重金属的主要因子有水体沉积物的理化性质和水环境化学条件，此外还有温度、沉积物浓度
等 以下几方面应该进行加强研究：溶解性有机物对沉积物吸附重金属的影响；水力条件变
化对重金属吸附的影响；多个影响因子复合作用下对重金属吸附的影响，寻找更好的综合因
子来表征多个影响因子对沉积物吸附的影响；沉积物的组分的相互作用对沉积物吸附重金属
的影响；沉积物对复合重金属污染物吸附的研究；研究吸附过程中重金属形态变化和电荷分
布变化；吸附过程中重金属和沉积物的微观结合方式，探讨吸附机理。
关键词：水体沉积物 吸附 重金属 综述
1.引言
自19世纪50年代环境问题就引起了世界各国科学家和政府首脑的高度重视，由于在日
本曾发生由汞污染引起的“水俣病”和由镉污染所引起的“骨痛病”事件，以及在欧洲某些国家
陆续发现重金属污染的严重生态后果，使重金属污染与防防治工作倍受重视 [1]
。 水体中，
由于沉积物的存在和对重金属污染物的吸附，使得进入水体中的重金属污染物大部分被吸附
并随之迁移，沉积物成为水体中重金属污染物的主要归宿，减少了对水体的污染；但是，当
水环境条件发生变化，吸附于沉积物颗粒上的重金属重新释放于水体，构成“二次污染”，重
金属通过液相和固相的相互转化构成对水体的复杂影响。重金属一般不能借助于天然过程从
水生生态系统中消失，它们是累积性毒物，对饮用水水质，水生生物和生态系统构成潜在的
威胁。吸附一解吸是重金属迁移转化过程中最重要要的环节之一，对污染效应﹑水体自净﹑
环境容量和控制措施等有直接的影响。研究水体沉积物对重金属吸附—解吸为建立水体重金
属水质模型，确定重金属水环境容量以及沉积物潜在生态风险性评价提供参考；也为水质评
价﹑预测及水污染防治提供科学依据。本文主要对水体沉积物吸附重金属的研究方法、机理，
吸附性能，影响因素等进行了综述，并进行了研究展望。
1.研究方法和机理
1.1研究方法
水体沉积物对重金属吸附研究所采用的方法主要有两种动态法和静态法（批量法），也
有研究者为了模拟水的扰动作用，采用搅拌法。
动态法是将一定沉积物按一定空隙率和含水率装填在柱中，流动溶液由上而下，定时收
集接收液测定。静态法（批量法）是将一定比例的沉积物与溶液混合，在一定温度下在震荡
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器中震荡平衡，溶液经过离心、过滤后进行测定。搅拌法是将沉积物放到容器底部铺均匀，
接着慢慢加入水，尽量不扰动沉积物，然后用搅拌器在水的不同，以不同的速度搅动上覆水。
由于不同水体沉积物具有不同的性质，不同方法的研究结果不适宜直接比较。动态法是
在对流和扩散条件下进行，耗时，难以区分物理和化学过程；静态研究方法研究结果相对稳
定，实验条件容易控制，相对简单快速，因此目前采用较多。
1.2 水体沉积物吸附重金属行为机理研究
溶质在固体表面或自然胶体表面上相对聚集的现象称为吸附；另一方面，溶质在固体表
面或自然胶体表面上浓度升高，在液相中浓度下降的现象也被称为吸附，所以又称吸着或吸
持[2]
。水环境中胶体颗粒的吸附作用大体可分为表面吸附、离子交换吸附和专属吸附等[3]
。
沉积物吸附重金属的形式有多种，归纳起来主要包括：（1）重金属与沉积物矿物胶体吸
附；（2）重金属与腐殖质发生离子交换；（3）重金属与腐殖酸或富里酸等结合或敖合；（4）
重金属发生化学反应产生沉淀。金属离子在氧化物型表面专性吸附的机理有多种学说，主要
有：（1） 游离金属离子与表面H+
起离子交换的配位机理，(2)金属经基络合物与表面质子
交换的水解一吸附机理，(3)认为pH影响表面配位基团活性的表面络合机理等[4]
。
不同的重金属离子在不同水体沉积物中的吸附，依吸附机理的不同，分为专性吸附和非专
性吸附。所谓非专性吸附即可逆吸附或离子交换吸附，吸附离子通过静电引力相热运动的平
衡作用，保持在扩散双电层的外层中，可以为等当量的离子所置换；而专性吸附与此相反，
被吸附的金属离子进入Helmholtz双电层的内层。专性吸附通常定义为“在有常量(或大量)
浓度的碱土金属或碱金属阳离子存在时，土壤(或其他吸附剂)对痕量浓度的重金属离子(两者
浓度一般相差3—4个数量级以上)的吸附作用称之为专性吸附”。 非专性和专性吸咐之间
并没有绝对的明显界限，所谓“不能置代’’仅仅是量的多少而已。事实上对于专性吸附和
非专件吸附一些研究者完全是用实验定义人为地加以区别．例如Tiller等(1984 )在区分上壤
粘粒对Cd、Zn和Ni的吸附时，在粘杜吸附金属后用0.01mol/LCa(N0
3)
2洗涤一次，被洗部分
称为非专性吸附，留下的部分则称为专性吸附；Garcia-Miragaya（1980）在研究土壤对微量
Cd的吸附时，将不能为1mol／LNH
4Cl和 0.1 mol／L HCl提取的Cd称为专性吸附Cd。[5]
一些研究者在重金属在水体沉积物吸附后，根据Tessier连续化学提取法来提取被吸附的
重金属，利用各形态含量来研究重金属在水体沉积物上的吸附机理。
对金属离子的吸附，已经有许多学者提出各种模型来说明氧化物表面上的吸附机理，其
中表面络合模式是Stumn[6]
等在20世纪70年代初期基于水合氧化物分散体系中金属的专属
吸附作用提出来的，用于描述固液界面的表面特征和吸附研究，该模式已经得到了广泛的应
用，目前已经成为主要的理论模式之一。文湘华等[7
——10]
应用表面络合理论及其研究方法对
乐安江沉积物的表面特征及对重金属的吸附特性进行了研究, 结果表明3种表面络合模式即
恒定容量模式、扩散层模式和三层模式均能较好地描述天然沉积物的吸附过程。Wang等[11]
证
实了表面络合模式能应用于模拟重金属在沉积物上的吸附。应用表面络合模式可以解释吸附
量随pH而变，又可解释H+
/Cu2+
交换不是2而是介于1—2之间的实验结果，还能较合理地解
释各种离子的吸附选择顺序，认为氧化物表面优先吸附羟基金属离子是目前比较普遍接受的
[12]
。表面络合模式虽然广泛应用在氧化物对金属离子的吸附研究上，但是目前也应用在水
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体沉积物对重金属的吸附行为研究上。
由于沉积物是一个多组分、多表面的复杂体系，沉积物对重金属的吸附过程也是很复杂
的，关于重金属的吸附机理有待进一步研究。
2.水体沉积物对重金属吸附性能的研究
2.1 吸附速率
水体沉积物对重金属吸附速率的大小,直接反映重金属在一定环境条件下的迁移性能。
了解水体沉积物吸附重金属达到平衡所需的时间及吸附量(或水相浓度)随时间增长(或减少)
的特性,有助于深化认识重金属在水体中的物质转化动态规律。
王晓蓉等[13]
研究了金沙江颗粒物对Cu﹑ Zn﹑ Co﹑ Ni和Cd的吸附速率，吸附速率是根
据吸附量随时间变化的曲线确定的。研究表明：①颗粒物对 Zn的吸附速度最大最快，半小
时后就有50.6%的Zn被吸附，其次是Cu，而Co﹑ Ni和Cd的吸附速度很小；②2小时的吸附速
度顺序为：Zn > Cu > Cd > Co > Ni；③温度升高颗粒物对重金属的吸附速度增大，吸
附量也增大，江水水温在17～35摄氏度内，温度和吸附速率之间存在着线性关系。黄河
流
域水环境监测中心[14]
以黄河花园口断面混合悬浮泥沙为吸附剂（泥沙粒度为0.01～
0.025mm）研究了对 Cu﹑ Cd 和Zn的吸附速率。绘制了吸附速率曲线，同时以吸附速率方
程K
d=G/G
og.t1/m
定量地描述了Cu﹑ Cd 和Zn的吸附速率。周孝德[15]
利用Langmuir型吸附动力
学模式描述了渭河泥沙对重金属离子的吸附速率，即dn/d t=K
1C（1-n）-K
2n 。赵蓉等[16]
研
究了黄河中游泥沙对铜的吸附速率，绘制了各泥沙样品的吸持速率曲线（泥沙含50 kg／m3
，
2个铜液的初始 PH分别为5.75和 5.94，温度 25 o
C），结果表明：黄河中游泥沙对 CU的
吸持很快，在铜初始浓度 48.5mg/L时，泥沙样品在 10min均达到吸持平衡．在铜浓度
207.0mg/l时， 样品的平衡时间基本上出现在反应10min～60m。
一部分研究者用F型吸附动力学方程和L型吸附动力学方程得出吸附和解吸速率系数
或选择经验性的化学动力学方程对数据进行拟和，依据较高的相关系数和较低的标准误差选
择最优方程，根据吸附速率系数来进行定量的研究来研究沉积物吸附重金属污染物的动力学
特征，但是吸附和解吸速率系数往往对环境条件极其敏感，在应用中有一定的困难；一部分
学者用吸附速率，即吸附量随时间变化的曲线的斜率，来研究吸附动力学过程，这种方法较
直观，但是吸附量随时间一般不是匀速增长，只能进行定性比较。水体沉积物吸附重金属达
到平衡的时间因重金属种类和环境条件不同而不同。
2.2吸附等温线
水体沉积物对重金属的吸附是一个动态平衡过程，在固定的温度条件下，当吸附达到平
衡时，沉积物上的吸附量与溶液中重金属平衡浓度之间的关系，可用吸附等温线来表达。等
温线在一定程度上反映了吸附剂与吸附物的特性。
何江等[17 -19]
研究了黄河沉积物对镉的吸附等温线，结果表明属于L型；表层沉积物对汞
的吸附等温线也属于L型，方程在平衡浓度较高时计算的吸附量与实验的拟合程度较好，而
平衡浓度低时拟合较差；不同体系中镉的吸附等温线中，多离子体系中镉的吸附是多个拐点
及平台的多级吸附模式，而单离子体系中镉的吸附属于典型的一级吸附模式。李改枝等[20-22]
研究了黄河水中Cu2+
﹑Pb2+
和Cd2+
与沉积物相互作用的等温线，这类等温线具有一个拐点，两
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