土壤天然納米顆粒穩(wěn)定性的表征及其在水稻土成土過程中的變化.pdf

1、納米技術(shù)(Nanotechnology)是目前發(fā)展最為迅速的科學(xué)技術(shù)之一，它正在被廣泛地應(yīng)用于其他學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域之中。通常納米顆粒被定義為至少在一個(gè)維度上尺寸小于100 nm的材料。由于尺度效應(yīng)，尺寸小于100 nm的納米顆粒往往具有著獨(dú)特的性質(zhì)。工程納米顆粒在不同環(huán)境條件下（如在土壤環(huán)境或水生環(huán)境條件下）的環(huán)境行為和影響已經(jīng)被廣泛地進(jìn)行討論。而從研究時(shí)間的角度來看，針對200～2000 nm天然膠體的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于工程納米顆粒的研究。

2、雖然針對工程納米顆粒和天然膠體的各方面性質(zhì)已經(jīng)開展了很多研究，針對100 nm尺度以下的天然膠體，即天然納米顆粒的研究還不夠深入。我們對中國地帶性土壤中的天然納米顆粒進(jìn)行了提取，并對所提取的土壤納米顆粒的性質(zhì)、穩(wěn)定性和環(huán)境行為進(jìn)行了研究。研究的主要結(jié)論有:
　　(1)利用超聲波分散和離心分離技術(shù)的純物理手段，可以從遼寧(LN)、吉林（JL）、江西(JX)和海南(HN)四種土壤樣品中非破壞性地提取出土壤納米顆粒。動態(tài)光散射測得四種納

3、米顆粒的粒徑分別為90.0 nm(LN)、90.9 nm(JL)、82.8 nm(JX)和95.8 nm(HN)，納米顆粒粒徑可以在長時(shí)間內(nèi)(100天)保持穩(wěn)定。納米顆粒提取量隨著超聲能量的增長而增長，兩者呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。在60000 J的超聲條件下，四種土壤樣品的納米顆粒提取率分別為0.51％(LN)、2.49％(JL)0.44％(JX)和0.42％(HN)。使用TEM、BET、 FTIR等方法對土壤天然納米顆粒的性質(zhì)進(jìn)行了表征。

4、r>　　(2)土壤天然納米顆粒在特定電解質(zhì)溶液中的聚沉情況比較可以直觀地反映其穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。土壤納米顆粒的臨界聚沉濃度反映了納米顆粒的聚沉情況。JL納米顆粒的臨界聚沉濃度分別為NaCl76.5 mM、CaCl21.15mM和LaCl30.050mM; LN納米顆粒的臨界聚沉濃度分別為NaCl140mM、CaCl21.79 mM和LaCl30.055 mM; JX納米顆粒的臨界聚沉濃度分別為NaCl29.5 mM、CaCl20.744 m

5、M和LaCl30.024 mM; HN納米顆粒的臨界聚沉濃度分別為NaCl103mM、CaCl21.89mM和LaCl30.082 mM。土壤納米顆粒的聚沉隨電解質(zhì)離子強(qiáng)度的增強(qiáng)而變得更加強(qiáng)烈;當(dāng)電解質(zhì)溶液的濃度增加到一定程度時(shí)，土壤納米顆粒的聚沉達(dá)到最強(qiáng)。在相同的離子強(qiáng)度下，土壤納米顆粒的表面電荷受價(jià)位較高的陽離子影響較大。根據(jù)DLVO理論的分析，粒子之間的靜電斥力和范德華引力共同決定著粒子的聚沉動力學(xué)過程。DLVO理論可以解釋土壤納

6、米顆粒的聚沉情況和穩(wěn)定性排序。四種土壤納米顆粒在真空中的哈梅克常數(shù)分別為6.99×10-20 J（JL），5.16×10-20 J(LN),4.47×10-20J(HN)和10.40×10-20J(JX)。
　　(3)去除有機(jī)質(zhì)組分和添加赤鐵礦顆粒處理均會對納米顆粒穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。去除有機(jī)質(zhì)組分后JL納米顆粒的臨界聚沉濃度分別由NaCl76.5 mM、CaCl21.15mM和MgCl20.9 mM降低到NaCl51.7 mM

7、、CaCl20.70 mM和MgCl20.72 mM。HN納米顆粒的臨界聚沉濃度分別由NaCl103 mM、CaCl21.89 mM和MgCl21.16 mM降低到NaCl40.6 mM、 CaCl20.31 mM和MgCl20.33 mM。JL納米顆粒的臨界聚沉濃度在添加赤鐵礦后降低到了NaCl55.0 mM。通過DLVO理論的模擬，去除有機(jī)質(zhì)組分和添加赤鐵礦處理都能夠降低土壤納米顆粒的表面電荷強(qiáng)度，增強(qiáng)了納米顆粒之間的范德華引力，這

8、兩個(gè)因素的共同作用直接降低了土壤納米顆粒的穩(wěn)定性。
　　(4)天然納米顆粒在飽和多孔介質(zhì)中極易發(fā)生粒徑的增大和沉積。在通過飽和多孔介質(zhì)后，JL納米顆粒和HN納米顆粒的粒徑分布增大為110.2 nm和118.5 nm，兩者的回收率分別為79％和89％。納米顆粒的回收率和突破曲線與其自身的穩(wěn)定性相關(guān)。電解質(zhì)條件下的納米顆粒更容易發(fā)生沉積，其回收率分別為42％和49％。納米顆粒經(jīng)過去有機(jī)質(zhì)處理之后，其回收率降低為76％和60％，在過柱突

9、破的過程中產(chǎn)生了明顯的拖尾和滯后現(xiàn)象。天然納米顆粒在飽和多孔介質(zhì)中突破與遷移的結(jié)果與之前穩(wěn)定性表征的結(jié)果能夠?qū)?yīng)起來。納米顆粒穩(wěn)定性的改變是影響天然納米顆粒遷移的結(jié)果的原因。
　　(5)實(shí)驗(yàn)對慈溪地區(qū)圍墾水稻土和土壤納米顆粒的理化性質(zhì)進(jìn)行了測定分析和表征。慈溪地區(qū)圍墾水稻土和土壤納米顆粒的理化性質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的趨勢性變化和規(guī)律性。由于土壤的脫鹽作用，土壤納米顆粒的含量在耕作過程中明顯增加，與耕作年限呈正相關(guān)，并在深層土壤產(chǎn)生積累。在