考慮土粒表面電場(chǎng)作用下的離子液膜擴(kuò)散.pdf

1、離子擴(kuò)散是土壤中物質(zhì)傳輸?shù)闹匾问?。土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的遷移及滲透，有毒、有害化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與歸宿等都與之有密切的關(guān)系。土壤中的離子擴(kuò)散包括液膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散。許多研究者運(yùn)用Fick擴(kuò)散定律研究各種條件(水分、土壤質(zhì)地、陽離子交換量等)對(duì)離子在土壤中擴(kuò)散傳輸?shù)挠绊?。所有這些研究都存在一個(gè)主要問題：沒有考慮土壤顆粒外電場(chǎng)對(duì)離子擴(kuò)散傳輸?shù)挠绊憽Ｈ欢?，土壤又是一個(gè)巨大的外電場(chǎng)體系。因此，要準(zhǔn)確描述離子在土壤中的擴(kuò)散傳輸過程就必須考慮土壤中的強(qiáng)大外

2、電場(chǎng)。外電場(chǎng)中離子擴(kuò)散方程以及土壤表面電化學(xué)性質(zhì)方法的建立為研究外電場(chǎng)中的離子擴(kuò)散奠定了方法和理論基礎(chǔ)。 首先，本文采用恒流法對(duì)磚紅壤和中性紫色土表面電荷總量、表面電位、表面電荷密度、表面電場(chǎng)強(qiáng)度以及比表面積進(jìn)行了測(cè)定和計(jì)算，并進(jìn)行比較分析；在此基礎(chǔ)上，研究了兩種土壤表面電荷性質(zhì)隨外部環(huán)境(電解質(zhì)濃度、電解質(zhì)類型、環(huán)境溫度、pH等)改變而變化的特點(diǎn)；最后，在表面電化學(xué)性質(zhì)測(cè)定的相同條件下，采用恒流法研究K+、Mg2+在兩種土壤中

3、的擴(kuò)散特征，分析它們的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過程，并測(cè)定不同土壤中的擴(kuò)散通量及擴(kuò)散系數(shù)。研究結(jié)果表明： 1)采用恒流法測(cè)得2∶1型電解質(zhì)中紫色土的表面電位約為-0.18V，磚紅壤的表面電位約為-0.10V。紫色土的表面電位絕對(duì)值約為磚紅壤的兩倍。中性紫色土和磚紅壤表面電荷密度分別為-0.55Cm-2，-0.038Cm-2；表面電場(chǎng)強(qiáng)度分別為-4.41E+08Jm-1C-1，-5.40E+07Jm-1C-1。紫色土的表面電荷密度、表面電場(chǎng)強(qiáng)度

4、的值都比磚紅壤高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)。在1∶1型電解質(zhì)體系中，兩種土壤表面電位變化趨勢(shì)基本一致，明顯高于在2∶1型電解質(zhì)體系中的測(cè)定值，前者約為后者的2倍。表面電荷密度和表面電場(chǎng)強(qiáng)度在兩種電解質(zhì)體系中的變化趨勢(shì)并不相當(dāng)，在各濃度下，磚紅壤在2∶1型電解質(zhì)體系的表面電荷密度都比1∶1型電解質(zhì)體系中的表面電荷密度高。 2)兩種土壤電荷總量、表面電荷密度隨電解質(zhì)濃度增加呈增加趨勢(shì)，磚紅壤的增加幅度要遠(yuǎn)大于中性紫色土；而表面電位隨電解質(zhì)濃度的

5、增加有所降低，同樣磚紅壤的減小幅度要遠(yuǎn)大于中性紫色土。pH對(duì)中性紫色土表面電荷性質(zhì)的改變不是特別明顯，而對(duì)磚紅壤的表面電位和表面電荷密度都有很大程度的增加。隨溫度的升高，兩種土壤的表面電荷總量、表面電位、表面電荷密度都表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。這可能由于溫度升高導(dǎo)致了膠體凝聚以及離子在雙電層中的分布的改變。恒流法測(cè)定的兩種表面電荷參數(shù)以及隨環(huán)境條件改變的差異，明確的反映了兩類土壤表面的不同表面電化學(xué)性質(zhì)的特征。 3)K+、Mg2+在兩種

6、土壤中擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在磚紅壤中擴(kuò)散初期(20～3min)存在負(fù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程，而后為一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程。而在中性紫色土中一直為一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程，因?yàn)橄鄬?duì)于磚紅壤，中性紫色土的比表面積要大得多，而兩者的液膜體積相差不大，離子在中性紫色土中擴(kuò)散路徑比較小，所以負(fù)一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程并沒有出現(xiàn)。 4)中性紫色土中不同電解質(zhì)和溫度條件下，平衡時(shí)其擴(kuò)散總通量2.6mg/g～3.1mg/g；而磚紅壤中在與其對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)和溫度條件下，其擴(kuò)散總通量為

7、0.26mg/g～0.51mg/g，可以看出中性紫色土的擴(kuò)散平衡時(shí)的總通量遠(yuǎn)大于磚紅壤，是磚紅壤的6～10倍。這些差異主要決定于兩種土壤表面電荷密度之間的差異。電解質(zhì)濃度的增加，兩種土壤中離子擴(kuò)散平衡時(shí)的總通量都有一定的程度的增加。中性紫色土增加8﹪左右，而磚紅壤增加近90﹪。隨著pH由5.5～8.5，在中性紫色土中離子擴(kuò)散平衡時(shí)的總通量略有增加，但磚紅壤中增加顯著，增幅達(dá)40﹪左右。兩種土壤中離子平衡時(shí)的總通量的差異以及隨環(huán)境條件變化

8、趨勢(shì)的差異反映了表面電荷密度或電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)離子在土壤中擴(kuò)散影響。 5)從兩種土壤離子通量隨時(shí)間的變化特點(diǎn)，可以反映出中性紫色土中離子擴(kuò)散速度要遠(yuǎn)大于磚紅壤。中性紫色土不同溫度條件下，離子擴(kuò)散系數(shù)1.17～1.91×10-9cm2/s；而磚紅壤中在與其對(duì)應(yīng)溫度條件下，離子擴(kuò)散系數(shù)為0.23～0.45×10-9cm2/s。紫色土的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于磚紅壤，是磚紅壤的4～5倍。隨pH變化，中性紫色土中離子擴(kuò)散系數(shù)隨著pH升高略有增加，而磚紅