表面活性劑在土壤中的吸附行為及其對土壤物理特性的影響.pdf

1、表面活性劑(Surfactants or Surface Active Agents)由于具有顯著降低界面張力、增溶增流等特性而被廣泛應用。這些表面活性劑可能會經(jīng)過各種途徑最終進入土壤環(huán)境，并通過與土壤組分的相互作用而對土壤理化性質(zhì)、土壤中溶質(zhì)(包括污染物)的遷移以及地下水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。本論文選用3種表面活性劑(陰離子型SDBS；陽離子型CTAB；非離子型．A12E9)和4種土壤(水稻土SH-P溫室土SH-G；蔬菜土SH-V；果園土

2、JX-O)為實驗對象，研究了表面活性劑在土壤環(huán)境中的吸附行為及對粘土溶液穩(wěn)定性、土壤持水特性、土壤導水特性以及有機污染物(硝基苯)在土壤中遷移的影響，以期較為系統(tǒng)地闡明表面活性劑與土壤的相互作用機理及對土壤物理特性的影響規(guī)律，為保護土壤環(huán)境提供科學依據(jù)。目前國內(nèi)外關于混合表面活性劑在土壤環(huán)境中的行為研究甚少，而實際土壤環(huán)境中存在的通常是各類表面活性劑的混合物，因此，本論文側重研究了混合表面活性劑在土壤環(huán)境中的吸附行為及對土壤物理特性的影

3、響。 1)表面活性劑在土壤中的吸附行為表明：其吸附可分為在土壤粒子上形成表面半膠束(單層吸附)和表面膠束(雙層吸附)兩個階段。3種表面活性劑首先分別通過靜電引力(CTAB)、氫鍵(A12E9)、疏水和靜電作用(SDBS)在土壤粒子上形成表面半膠束。隨著表面活性劑濃度的增加，3種表面活性劑均可通過疏水相互作用在土壤粒子上形成親水性表面膠束。3種表面活性劑在吸附機理上的差別源于其帶電及兩親基團的不同，從而也直接影響了隨后混合表面

4、劑的吸附。 2)不同土壤對表面活性劑吸附量的差異主要歸因于土壤粘土礦物、陽離子交換容量、電解質(zhì)、有機質(zhì)含量和氧化物組成的不同。CTAB在土壤中的飽和吸附量與土壤的陽離子交換容量呈線性關系，A<,12>E<,9>在土壤中的飽和吸附量與土壤有機質(zhì)含量呈線性關系。3種表面活性劑在4種土壤中的飽和吸附量順序分別為：SDBS，JX-O>SH-G>SH-V>SH-P；CrAB，SH-G>SH-V>SH-P>JX-O；A<,12>E<,9>

5、，SH-G>SH-V>Jx-O>SH-P。表面活性劑在不同粘粒上的吸附量差異主要歸因于粘粒礦物組成，帶電量及比表面積的不同。當溶液為酸性時，土壤粒子表面負電荷減少，導致SDBS吸附量增加，CTAB吸附量減少；當溶液為堿性時，SDBS吸附量減少，CTAB吸附量增加；A<,12>E<,9>在中性環(huán)境下吸附量最高。電解質(zhì)可壓縮土壤粒子表面擴散雙電層，增加SDBS的吸附，但降低CTAB的吸附，而對A<,12>E<,9>吸附基本無影響。鈣離子飽和

6、土壤后，由于鈣橋的作用，導致SDBS的吸附量增加。 3)添加順序?qū)旌媳砻婊钚詣┪降挠绊懡Y果表明，當A<,12>E<,9>先于SDBS加入土壤時，A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成表面膠束，此時由于A<,12>E<,9>聚氧乙烯鏈的空間阻礙作用，抑制了后加入的SDBS在土壤粒子上形成表面半膠束和膠束，導致SDBS的飽和吸附量降低；當SDBS先于A12E9加入土壤時，在土壤粒子上先吸附的SDBS為A<,12>E<,9>提供

7、了吸附位點，促進了SDBS和A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成混合表面膠束，導致A<,12>E<,9>飽和吸附量增加；當2種表面活性劑同時加入土壤時，A<,12>E<,9>可優(yōu)先在土壤粒子上形成表面膠束。A<,12>E<,9>進入土壤中可導致SDBS飽和吸附量的降低；而SDBS進入土壤中將促進A<,12>E<,9>的吸附。添加順序引起的2種表面活性劑吸附量的差異歸因于兩者對土壤粒子表面親和力、表面活性以及吸附機理的不同。

8、4)混合比和環(huán)境條件對混合表面活性劑吸附的影響結果表明，SDBS和A<,12>E<,9>進入土壤后，可通過疏水相互作用在土壤粒子上形成表面混合膠束，導致SDBS和A<,l2>E<,9> 對土壤粒子表面的親和力均增強。隨著A<,12E9混合比的增加，A12E9聚氧乙烯鏈的空間阻礙作用導致SDBS飽和吸附量的下降。A<,12>E<,9>的飽和吸附量隨其混合比的增加而增加。隨著溶液pH值的增加，土壤粒子表面負電荷減少，有利于SDBS在粒子上形

9、成表面膠束，導致SDBS和A<,12>E<,9>飽和吸附量均增加。平衡溶液中電解質(zhì)濃度的降低可增加土壤粒子表面的絕對Zeta電位，因而抑制SDBS在粒子上形成混合表面膠束，進而降低了SDBS和A<,12>E<,9>的飽和吸附量。 5)單一表面活性劑對粘粒溶液的穩(wěn)定性影響實驗結果表明：當表面活性劑在粘粒上形成表面疏水性半膠束時，吸附在不同粘粒上的表面活性劑可通過疏水作用相互交叉重疊而形成粒間表面膠束，從而降低粘粒溶液的穩(wěn)定性；

10、隨著溶液中表面活性劑濃度的增加，表面活性劑可在粘粒上進一步吸附，使得粒間表面膠束過渡為粒內(nèi)表面膠束，粒子之間排斥力的增加導致粘粒溶液的穩(wěn)定性上升；由于CrAB在粘粒上具有較高的吸附量，因而對粘粒溶液的穩(wěn)定性影響最大。當表面活性劑濃度高于其CMC時，離子型表面活性劑離解出的無機離子對粘粒表面雙電層的壓縮作用增強，導致粘粒溶液的穩(wěn)定性略微下降；非離子表面活性劑由于其在溶液中較強的水化作用，導致粘粒溶液的穩(wěn)定性隨其濃度的增加而趨于上升。對于帶

11、有可變電荷的JX-O粘土，當溶液pH值較低時，SDBS吸附量的增加使得粘粒間相互作用增強，導致SDBS對粘粒溶液的穩(wěn)定性影響增加；而CrAB由于在較低的pH時吸附受到抑制，因而其對粘粒溶液的穩(wěn)定性影響降低。 6)對于CrAB和A<,12>E<,9>的混合溶液，當其混合濃度較高時，CrAB可通過靜電引力強烈吸附在粘粒上形成疏水性表面半膠束，而A<,12>E<,9>通過疏水相互作用與被吸附的CrAB形成親水性混合表面膠束，由于吸附

12、在外層的A<,12>E<,9>聚氧乙烯鏈可強烈水化，使得粘粒溶液穩(wěn)定性增加。對于SDBS和A<,12>E<,9>的混合溶液，由于兩者在粘粒上形成的混合表面膠束密度較低，因而粘粒溶液的穩(wěn)定性受SDBS和A<,12>E<,9>的混合物影響較小。 7)單一和混合表面活性劑對土壤持水特性的影響結果表明：對于單一體系，SDBS和A<,12>E<,9>均可降低土壤的持水量，這歸因于SDBS或A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成表面膠束后

13、降低了土壤粒子的界面張力。當SDBS和A<,12>E<,9>的濃度分別低于其CMC時，土壤持水量分別隨其濃度的增加而降低；在SDBS和A<,12>E<,9>各自的CMC點，2種表面活性劑對土壤的持水量降至最低。對于混合體系，當SDBS和A<,12>E<,9>的混合濃度低于其混合CMC時，土壤持水量隨A12E9混合比的增加而降低；當混合濃度高于混合CMC時，與在混合CMC點相比，土壤持水量隨A<,12>E<,9>混合比的增加而增加。3種數(shù)

14、學模型的模擬結果表明，當表面活性劑濃度低于其CMC時，K模型和s模型可較好地模擬單一或混合表面活性劑存在下的土壤持水量；當表面活性劑濃度為1-5倍CMC時，K模型仍可較好地模擬單一表面活性劑存在下的土壤持水量?？傊谀M精度方面,K模型>S模型>G模型。 8)表面活性劑對土壤(非)飽和導水特性的影響結果表明：對于擾動土，當CTAB濃度較低時，其在土壤粒子上強烈吸附形成了疏水性表面半膠束，此時粒間疏水相互作用使得土壤粒子較易凝

15、聚在一起，從而增加了土壤有效孔隙率，最終導致土壤飽和導水率的增加；當CTAB濃度較高時，CrAB在土壤粒子上形成親水性表面膠束，粒間靜電排斥作用可分散凝聚在一起的土壤粒子，降低了土壤的有效孔隙率，導致土壤飽和導水率的下降；隨著SDBS或A<,12>E<,9>濃度的增加，土壤的飽和導水率趨于降低。含SDBS或A<,12>E<,9>的擾動土可通過對照液淋洗使其飽和導水率恢復到起始值,而含CTAB的擾動土的飽和導水率難以恢復。對于原狀土，其飽

16、和導水率均隨3種表面活性劑濃度增加而降低。對照液淋洗無法使原狀土飽和導水率恢復到起始值。擾動土的非飽和導水特性研究表明，當含有表面活性劑的土壤與不含表面活性劑的土壤分別填裝在平行放置的有機玻璃柱兩端時，水分從前者移向后者。表面活性劑的表面活性越強，土壤水遷移量越大。 9)表面活性劑對土壤中硝基苯的洗脫實驗結果表明：當使用5倍CMC的表面活性劑溶液淋洗含硝基苯的土壤時，由于溶液中表面活性劑膠束對硝基苯的增溶作用,導致土壤中硝基苯