Kinetics of Metal Adsorption from Aqueous Solutions pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Sotira Yiacoumi

出品人:

页数:256

译者:

出版时间:1995-06-30

价格:USD 279.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780792396000

丛书系列:

图书标签:

• 重金属离子
• 科学
• 吸附动力学
• 金属吸附
• 水溶液
• 动力学
• 环境科学
• 化学工程
• 水处理
• 吸附剂
• 污染物
• 环境化学
• 表面化学

沉积与界面过程：海洋沉积物中重金属的迁移、转化与生物有效性 作者： 罗伯特·A·詹金斯 教授 / 玛丽亚·C·费尔南德斯 博士 出版社： 学术前沿出版社 出版年份： 2024年 --- 图书简介 《沉积与界面过程：海洋沉积物中重金属的迁移、转化与生物有效性》 是一部深入探讨海洋和淡水沉积物界面化学、地球物理过程与污染物行为的权威专著。本书聚焦于沉积物作为环境“汇”和“源”的关键作用，特别是针对重金属（如铅、镉、汞、砷及其过渡金属同系物）在沉积物-水体界面上的复杂动态过程。本书旨在为环境地球化学家、海洋学家、水文学家以及环境工程师提供一个全面、整合的理论框架和最新的实验方法论，以理解和预测污染物在地球水圈中的长期命运。 本书的独特之处在于其高度跨学科的视角，它不仅仅停留在传统的吸附/解吸平衡模型，而是将物理化学过程（如氧化还原梯度、pH效应）与生物地球化学过程（如微生物介导的电子转移、有机质的降解）紧密结合起来，揭示了影响重金属在沉积物孔隙水中活度的核心驱动力。 全书共分为七个主要部分，结构清晰，逻辑严密，从基础的沉积物形成机理入手，逐步深入到复杂的生物地球化学反应网络。 --- 第一部分：沉积物环境基础与界面概念 本部分为全书奠定了理论基础。首先，详细介绍了海洋和河流沉积物的物源分析、粒度分布及其对反应性的影响。重点阐述了沉积物颗粒表面（特别是粘土矿物、铁锰氧化物和硫化物）的电荷特性和表面络合机制。 关键内容包括： 1. 沉积物微环境的构建： 介绍沉积物孔隙水（Porewater）的采样技术和化学特征的测量方法，强调溶解氧、氧化还原电位（Eh）和pH梯度在垂直剖面上的重要性。 2. 表面化学导论： 深入讨论斯特恩模型（Stern Model）和双层扩散模型（Diffuse Layer Model），并引入了更先进的内界限模型（Constant Capacitance Model）来描述金属离子与矿物表面的特异性吸附。 3. 有机质的控制作用： 区分腐殖质、富里酸以及微生物分泌的多糖类物质在表面络合中的作用，并量化其对金属络合常数的影响。 --- 第二部分：重金属的空间分布与地球化学分级 本部分着重于沉积物中重金属的形态学分析和地球化学归宿。本书提出了一种改进的、基于连续提取（Sequential Extraction Procedure, SEP）的五步或六步提取方案，旨在更精确地区分金属的“可动性”（Mobility）和“惰性”（Inertness）。 核心主题包括： 1. 形态学分析的新进展： 详细介绍了X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱学技术在确定沉积物中特定金属物种（如Hg(II)与有机硫的结合形式，As(III)与As(V)的比例）中的应用案例。 2. 生物有效性指标的建立： 探讨了Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) 及其局限性，并提出了基于生物模拟提取剂（如LMW-OAs）来评估沉积物中重金属向水相释放的潜在风险。 3. 矿物相的控制： 深入分析了碳酸盐、粘土、铁锰氧化物和硫化物等主要矿物载体对重金属的分配系数（Kd）的贡献，特别是在不同沉积历史时期下的演变。 --- 第三部分：氧化还原驱动的迁移与转化 氧化还原条件是控制沉积物中重金属长期行为的主导因素。本部分聚焦于沉积物中电子梯度的建立及其对金属价态和溶解度的影响。 关键反应机制： 1. 铁锰氧化物的还原与再生： 详细阐述了异养细菌或硫还原细菌对Fe(III)和Mn(IV)的还原作用如何释放被吸附的重金属（如Cd, Zn）进入孔隙水，以及随后氧化条件下它们的重新沉淀过程。 2. 硫化过程的主导性： 在厌氧区，硫酸盐还原菌（SRB）产生硫化氢，导致重金属如Hg、Cu、Pb形成高度不溶的金属硫化物。本书提供了精确的溶解度产品（Ksp）数据以及温度和盐度对这些硫化物稳定性的影响模型。 3. 汞的生物甲基化与生物挥发： 专门探讨了微生物介导的汞（Hg）的转化途径，特别是从无机Hg(II)到剧毒的甲基汞（MeHg）的转化速率和影响因素（如有机质的类型和微生物群落结构）。 --- 第四部分：生物地球化学过程与界面通量 这一部分将焦点从纯粹的物理化学转移到生物活动对污染物迁移的调控。生物体，无论是微生物还是底栖生物，都在物质循环中扮演着“泵”的角色。 重点内容： 1. 微生物呼吸链中的金属： 探讨了某些金属离子（如铀、铬、砷）如何作为微生物的末端电子受体，参与异源呼吸，从而改变其化学价态，影响其在沉积物中的迁移能力。 2. 底栖生物的生物扰动（Bioturbation）： 讨论了蠕虫、双壳类动物的摄食和挖掘活动如何重新混合沉积物层，打破原有的氧化还原梯度，导致深层污染物被带至表层水相，加速氧化释放。本书提供了量化的生物扰动系数（$D_b$）模型。 3. 有机质降解与络合效应： 分析了微生物对沉积物中有机质（DOM/POM）的降解如何释放出低分子量有机酸（如草酸、柠檬酸），这些有机酸对重金属具有强大的络合能力，可以显著提高其在孔隙水中的溶解度。 --- 第五部分：沉积物-水体界面通量的建模与预测 本书的实践应用部分，致力于建立描述重金属在沉积物和上覆水体之间交换的动态模型。 模型构建与应用： 1. 瞬态与稳态通量计算： 介绍了基于孔隙水浓度梯度测量的菲克第一定律的应用，并讨论了生物活动对通量计算的修正因子。 2. 多组分反应传输模型（RTM）： 详细介绍了如何将上述提到的吸附、沉淀、氧化还原反应和生物代谢耦合到反应传输模型中，以模拟特定时间尺度内（数月到数年）重金属的释放速率。 3. 案例研究： 提供了湖泊、河口和近海区域的实地测量数据，通过模型拟合验证了理论的有效性，并对未来气候变化（如温度升高、酸化）对沉积物释放通量的潜在影响进行了情景预测。 --- 结语与展望 《沉积与界面过程》总结了当前研究的局限性，并指出了未来研究方向，特别是高通量测序技术在识别关键微生物群落对金属转化的贡献、以及原位（In-situ）监测技术在捕获快速界面反应方面的潜力。本书为读者提供了一套工具箱，用以深入理解沉积物作为环境缓冲器和潜在污染源的双重角色。 --- 目标读者： 环境科学家、地球化学家、水环境工程师、研究生及相关领域的科研人员。 本书特色： 理论深度与实验细节相结合，提供大量前沿的谱学分析方法和数值模拟技术指导。

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作为一名侧重于新型吸附材料开发的化学家，我对书中关于吸附剂表面特性的描述给予高度评价。作者非常清楚地认识到，吸附动力学研究的瓶颈往往在于材料表面的异质性。因此，书中花费了相当大的篇幅讨论如何通过BET、XPS等表征技术，将微观结构信息映射到宏观的吸附速率常数上。例如，在讨论磁性纳米颗粒的吸附行为时，书中指出，尽管其比表面积巨大，但由于表面羟基官能团密度不均一，导致活性位点的数量和能量分布范围很广，这使得简单的二级动力学模型失效，并推导了适用于非均相表面的指数衰减模型。这种将材料科学的表征与反应动力学理论相结合的处理方式，是这本书最大的亮点之一。此外，书中对有机物污染对金属离子吸附动力学的影响进行了专门的案例研究，揭示了共存有机酸根离子如何通过改变吸附剂表面电荷密度和形成络合物，从而显著减慢或加速金属离子的去除速率。这种对复杂体系的精细化分析，对于处理真实世界中的复杂废水具有不可替代的参考价值。

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翻开这本书的扉页，我立刻被其扎实的理论基础和细致入微的实验论述所吸引。它的叙事风格不同于许多枯燥的教科书，更像是一位经验丰富的老教授在与同行进行深入的学术交流。作者在探讨吸附速率常数（$k$）的确定方法时，展现了极高的批判性思维，没有盲目地推崇某一特定模型，而是通过比较不同模型在不同环境条件下的残差分析，引导读者理解模型的局限性。例如，书中对Langmuir-Hinshelwood机理模型的解析，不仅给出了标准的微分方程形式，更重要的是阐述了其背后的化学假设——即吸附反应的速率取决于吸附在表面上的反应物分子浓度，这在描述多组分体系的竞争性吸附时显得尤为重要。此外，作者巧妙地引入了非平衡等温吸附动力学的概念，这极大地拓宽了研究的视野，尤其是在处理高浓度或快速接触时间下的吸附过程。书中对温度对吸附速率影响的讨论，也引入了阿伦尼乌斯方程的修正形式，试图分离出活化能和扩散能的贡献，这种细致的解耦分析，对于理解反应的能量屏障至关重要。阅读这本书，我感觉自己不仅仅是在学习知识点，更是在学习一种严谨的、探究性的科学思维方式。

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这本书的编排结构简直是教科书级别的典范，特别是对于初涉水处理动力学领域的研究生来说，它提供了一个近乎完美的学习路径。第一部分对双电层理论和电荷转移过程的简要回顾，虽然篇幅不长，但已足以激活读者对电化学吸附基础的记忆。随后，重点便完全转移到了动力学研究的核心——如何量化“快”与“慢”。我特别欣赏作者在处理时间依赖性数据时所采用的统计学工具。他们不只是给出$R^2$值，而是深入探讨了拟合不佳可能意味着什么，例如，是否意味着吸附过程存在多孔结构限制，或者是否存在吸附后的结构重排。书中关于颗粒内扩散系数（$D_e$）的计算方法，结合了Weast-Tesh Model等先进的扩散模型，并清晰地展示了如何通过调整颗粒尺寸和液相浓度梯度来验证这些模型的适用性。对于实际工程应用而言，该书对“准平衡时间”的定义也进行了商榷，指出在某些快速吸附体系中，严格意义上的平衡可能并不存在，而需要在满足特定去除效率的极短时间内进行决策。这种对实际约束条件的充分考量，使得这本书的价值远超纯理论探讨，更像是一本实战指南。

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这本书的语言风格是极其精炼且富有科学精确性的，它要求读者具备扎实的化学计量学和微积分基础。对于那些期望获得简单“食谱”的读者来说，这本书可能会显得有些挑战性，因为它要求读者理解每一个参数背后的物理意义，而不是简单地套用公式。我个人尤其欣赏作者在讨论溶液pH值对吸附动力学影响时的细致入微。书中清晰地展示了，pH值不仅影响金属离子的形态（如沉淀或络合），更重要的是通过改变吸附剂的零点电荷（pH$_{ZPC}$），直接调控了离子交换和静电吸引/排斥的速率。通过一系列等温和等速实验的交叉验证，作者构建了一个多变量耦合的动力学框架，这使得理解不同因素之间的相互作用成为可能。书中对数据处理软件的使用建议也体现了其实用主义精神，推荐了如OriginPro和MATLAB等工具进行非线性拟合，并强调了数据处理的标准化流程，以确保实验结果的可重复性和可比性。总而言之，这是一部为严肃的环境化学研究者量身打造的、极具学术深度的专著，它引领我们超越“吸附了多少”，深入探究“如何吸附”和“为何如此快慢”的本质。

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这本关于金属吸附动力学的著作，以其严谨的学术态度和详尽的实验数据分析，无疑为环境工程和材料科学领域的研究者提供了一份宝贵的参考资料。全书的结构设计非常清晰，从基础的吸附理论回顾，到复杂的反应动力学模型构建，再到实际应用中的影响因素探讨，层层递进，逻辑性极强。作者并未停留在对传统模型的简单罗列，而是深入剖析了不同吸附剂（如活性炭、纳米材料、改性粘土等）在处理不同类型重金属离子（如Pb$^{2+}$, Cd$^{2+}$, Cr(VI)等）时的速率限制步骤。特别是关于准一级和准二级动力学模型的适用性讨论，结合了实验数据进行深入的拟合优度分析，这一点对于需要设计或优化水处理流程的工程师来说，具有极高的操作指导价值。书中对扩散机制的探讨，无论是内扩散还是外部传质，都使用了严谨的数学描述，并配以大量的图表来佐证观点，使得晦涩的物理化学过程变得直观易懂。我对其中关于表面反应控制模型的章节印象尤为深刻，它揭示了吸附速率不仅仅取决于离子在吸附剂孔隙中的迁移速度，表面化学键的形成与断裂才是决定性的因素，这为开发新型、高效的吸附材料指明了方向。总而言之，这是一部理论深度与实践指导性兼备的优秀专著。

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