離子類型對土壤膠體凝聚的影響.pdf

1、土壤中的有機、無機和微生物膠體的大小均集中在幾十到幾千個納米的介觀尺度范圍內(nèi)，它們是土壤具有肥力和生態(tài)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤膠體的凝聚和分散深刻影響著土壤中眾多微觀過程和宏觀現(xiàn)象的發(fā)生，而離子是土壤膠體凝聚的重要影響因素。本研究選取土壤膠體作為研究材料，采用多參數(shù)聯(lián)合測定法同時測定了土壤膠體顆粒（500-1000、200-500和＜200nm）的比表面積、表面電荷、表面電場和表面電位等表面性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，采用動態(tài)光散射方法，研究了無機陽

2、離子、無機陽離子和有機陰離子耦合對土壤膠體凝聚動力學(xué)過程的影響。得到了如下結(jié)論:
　　(1)對于以恒電荷為主的紫色土和以可變電荷為主的黃壤，其表面性質(zhì)均主要取決于＜1000nm的膠體顆粒，其中，＜200nm的顆粒對土壤表面性質(zhì)的貢獻(xiàn)最大。土壤中約85％的表面電荷和80％的比表面積來源于＜1000nm的膠體顆粒，超過一半的比表面積和表面電荷來源于＜200nm的膠體顆粒。紫色土和黃壤的表面性質(zhì)的粒徑分布存在顯著差異，對于特定粒級的土壤

3、顆粒，紫色土具有更大的比表面積、表面電荷數(shù)量、表面電位和電場強度數(shù)值。
　　土壤膠體顆粒的礦物組成和有機質(zhì)含量顯著影響膠體顆粒的表面性質(zhì)。含有較大比表面積和表面電荷的次生黏土礦物蒙脫石、蛭石、伊利石、云母和高嶺石主要分布于＜1000nm的膠體顆粒，而＜200nm的膠體顆粒含有最多的膨脹型黏土礦物（蛭石和蒙脫石）。土壤膠體顆粒的有機質(zhì)含量也顯著高于粗顆粒。另外，對于特定粒徑的土壤顆粒，紫色土的次生黏土礦物和有機質(zhì)含量遠(yuǎn)高于黃壤。這些

4、都可以定量和定性解釋兩種土壤表面性質(zhì)的粒徑分布。
　　(2)土壤膠體凝聚存在離子特異性效應(yīng)，且離子特異性效應(yīng)在無機陽離子濃度較低的條件下更顯著。臨界絮凝濃度的離子特異性效應(yīng)序列為Na+(86.1mmol/L)＞K+(56.9mmol/L)＞NH4+(51.4mmol/L)＞Mg2+(4.15mmol/L)＞Ca2+(2.15mmol/L)＞Cu2+(1.72mmol/L)?？傮w平均凝聚速率的離子特異性效應(yīng)隨著陽離子濃度的降低而迅速

5、增強，且對于同價陽離子而言，因NH4+和Cu2+的核外電子云更易發(fā)生形變，其在離子特異性效應(yīng)序列中的相對位置易隨體系中離子濃度的變化而變化。
　　當(dāng)體系中離子濃度較低時（＜0.1 mol/L），土壤膠體顆粒周圍的強電場會深刻影響土壤膠體凝聚的離子特異性效應(yīng)。土壤膠體凝聚中的離子特異性效應(yīng)隨著膠體顆粒周圍的電場強度增強呈指數(shù)函數(shù)增加。當(dāng)引入基于陽離子量子漲落效應(yīng)和強電場作用而產(chǎn)生的相對有效電荷系數(shù)β來表征離子特異性效應(yīng)時，同價陽離子

6、作用下，相鄰顆粒間的靜電排斥壓強的差異可用于定量解釋土壤膠體凝聚的離子特異性效應(yīng)隨陽離子濃度的變化規(guī)律。
　　(3)無機陽離子（Na+和Mg2+）和有機陰離子十二烷基苯磺酸根（DBS-）耦合會顯著影響土壤膠體懸液的穩(wěn)定性。當(dāng)陽離子濃度相同時，增加DBS-的濃度會顯著增強膠體懸液的穩(wěn)定性。例如120mmol/LNa+作用下，隨著DBS-濃度從0mmol/L升高到10mmol/L，土壤膠體凝聚體有效粒徑從702nm下降至193nm，總

7、體平均凝聚速率從28.6 nm/min減小到3.36 nm/min。然而，當(dāng)DBS-濃度相同時，增加陽離子的濃度會減小膠體顆粒擴散雙電層厚度，從而破壞膠體懸液的穩(wěn)定性。另外，陽離子類型也會顯著影響土壤膠體的凝聚動力學(xué)過程。例如，10mmol/LDBS-和50mmol/LNa+或Mg2+作用下，DBS-/Mg2+體系中凝聚體的最終粒徑是DBS-/Na+體系的約10倍，總體平均凝聚速率前者約是后者的60倍。
　　DBS-通過疏水作用和