离子类型对土壤胶体凝聚的影响

【摘要】土壤中的有机、无机和微生物胶体的大小均集中在几十到几千个纳米的介观尺度范围内,它们是土壤具有肥力和生态功能的物质基础。土壤胶体的凝聚和分散深刻影响着土壤中众多微观过程和宏观现象的发生,而离子是土壤胶体凝聚的重要影响因素。本研究选取土壤胶体作为研究材料,采用多参数联合测定法同时测定了土壤胶体颗粒(500-1000、200-500和<200nm)的比表面积、表面电荷、表面电场和表面电位等表面性质,在此基础上,采用动态光散射方法,研究了无机阳离子、无机阳离子和有机阴离子耦合对土壤胶体凝聚动力学过程的影响。得到了如下结论：(1)对于以恒电荷为主的紫色土和以可变电荷为主的黄壤,其表面性质均主要取决于<1000nm的胶体颗粒,其中,<200nm的颗粒对土壤表面性质的贡献最大。土壤中约85%的表面电荷和80%的比表面积来源于<1000nm的胶体颗粒,超过一半的比表面积和表面电荷来源于<200nm的胶体颗粒。紫色土和黄壤的表面性质的粒径分布存在显著差异,对于特定粒级的土壤颗粒,紫色土具有更大的比表面积、表面电荷数量、表面电位和电场强度数值。土壤胶体颗粒的矿物组成和有机质含量显著影响胶体颗粒的表面性质。含有较大比表面积和表面电荷的次生黏土矿物蒙脱石、蛭石、伊利石、云母和高岭石主要分布于<1000nm的胶体颗粒,而<200nm的胶体颗粒含有最多的膨胀型黏土矿物(蛭石和蒙脱石)。土壤胶体颗粒的有机质含量也显著高于粗颗粒。另外,对于特定粒径的土壤颗粒,紫色土的次生黏土矿物和有机质含量远高于黄壤。这些都可以定量和定性解释两种土壤表面性质的粒径分布。(2)土壤胶体凝聚存在离子特异性效应,且离子特异性效应在无机阳离子浓度较低的条件下更显著。临界絮凝浓度的离子特异性效应序列为Na+(86.1mmol/L)>K+(56.9mmol/L)>NH4+(51.4mmol/L)>Mg2+(4.15mmol/L)>Ca2+(2.15mmol/L)>Cu2+(1.72mmol/L)。总体平均凝聚速率的离子特异性效应随着阳离子浓度的降低而迅速增强,且对于同价阳离子而言,因NH4+和Cu2+的核外电子云更易发生形变,其在离子特异性效应序列中的相对位置易随体系中离子浓度的变化而变化。当体系中离子浓度较低时(<0.1mol/L),土壤胶体颗粒周围的强电场会深刻影响土壤胶体凝聚的离子特异性效应。土壤胶体凝聚中的离子特异性效应随着胶体颗粒周围的电场强度增强呈指数函数增加。当引入基于阳离子量子涨落效应和强电场作用而产生的相对有效电荷系数β来表征离子特异性效应时,同价阳离子作用下,相邻颗粒间的静电排斥压强的差异可用于定量解释土壤胶体凝聚的离子特异性效应随阳离子浓度的变化规律。(3)无机阳离子(Na+和Mg2+)和有机阴离子十二烷基苯磺酸根(DBS-)耦合会显著影响土壤胶体悬液的稳定性。当阳离子浓度相同时,增加DBS-的浓度会显著增强胶体悬液的稳定性。例如120mmol/LNa+作用下,随着DBS-浓度从0mmol/L升高到10mmol/L,土壤胶体凝聚体有效粒径从702nm下降至193nm,总体平均凝聚速率从28.6nm/min减小到3.36nm/min。然而,当DBS-浓度相同时,增加阳离子的浓度会减小胶体颗粒扩散双电层厚度,从而破坏胶体悬液的稳定性。另外,阳离子类型也会显著影响土壤胶体的凝聚动力学过程。例如,10mmol/LDBS-和50mmol/LNa+或Mg2+作用下,DBS-/Mg2+体系中凝聚体的最终粒径是DBS-/Na+体系的约10倍,总体平均凝聚速率前者约是后者的60倍。DBS-通过疏水作用和静电作用吸附于土壤颗粒表面,增加胶体颗粒表面的负电荷数量,降低作用于胶体表面附近空间无机阳离子的浓度(DBS-疏水长链的空间阻碍和高浓度DBS-形成的胶束结构对阳离子的吸附),使得胶体颗粒间的静电排斥力增大,悬液稳定性增强,需要吸附更多阳离子才能发生凝聚。这对研究其他无机离子或重金属离子在被SDBS(十二烷基苯磺酸钠)污染的环境中的迁移转化具有重要的借鉴意义。
【作者】唐颖；
【导师】李航；
【作者基本信息】西南大学，土壤学，2014，硕士
【关键词】胶体悬液稳定性；离子特异性效应；有机污染物；无机离子；表面性质；

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