土壤有機(jī)-無機(jī)膠體顆粒凝聚的激光散射研究.pdf

1、土壤膠體一般指顆粒粒徑大小在1～1000 nm范圍內(nèi)的多組分的多分散體系，主要包括無機(jī)礦物質(zhì)、腐殖質(zhì)和微生物膠體等。1～1000nm是自然界的一個特殊尺度。盡管位于這一尺度的土壤膠體界面行為已有較多研究，但從這一尺度的有機(jī)、無機(jī)和微生物顆粒的相互作用方面，在土壤學(xué)中長期忽略了這一尺度的特殊效應(yīng)：介觀尺度效應(yīng)，從而使這一尺度下的有機(jī)、無機(jī)和微生物相互作用研究難以深入。而該尺度下土壤顆粒相互作用研究手段的缺乏也是一個重要原因。而在膠體化學(xué)、

2、納米科技與生命科學(xué)領(lǐng)域中，光散射技術(shù)作為膠體及納米顆粒相互作用研究最重要的工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單分散體系膠體顆粒的分形凝聚研究中。本研究通過動態(tài)光散射技術(shù)測定膠體或凝聚體顆粒的有效直徑、粒度分布和平均散射光強(qiáng)，并通過有效直徑的演變來反映凝聚動力學(xué)特征，通過靜態(tài)光散射技術(shù)確定的分形維數(shù)來反映凝聚體的結(jié)構(gòu)狀況，從土壤膠體的分散體系和凝聚體系分別入手，探討了光散射技術(shù)在多組分、多分散土壤膠體的相互作用的應(yīng)用條件，并對膠體分散穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

3、主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 ⑴光散射技術(shù)可以應(yīng)用于多組分、多分散土壤膠體的相互作用中，其應(yīng)用條件的關(guān)鍵是控制初始顆粒密度和選擇恰當(dāng)?shù)纳⑸浣?。在自相關(guān)函數(shù)能夠平滑的衰減至基線且散射光強(qiáng)保持不變的條件下，黃壤膠體的初始顆粒密度為1.90×10—3～0.475g．L—1較好；可準(zhǔn)確測定土壤膠體顆粒凝聚動力學(xué)研究的動態(tài)光散射角度范圍在90°～135°，以90°最好。
　　 ⑵膠體初始狀態(tài)和分散穩(wěn)定性的研究是開展后續(xù)動力學(xué)研究

4、極為重要的保證。黃壤和胡敏酸膠體的初始穩(wěn)定狀態(tài)：在低濃度背景電解質(zhì)(c(K+)＜10—5mmol．L—1)下，pH8左右的黃壤和胡敏酸都是穩(wěn)定的多分散膠體體系。黃壤膠體分散性低于胡敏酸，其穩(wěn)定時間大于胡敏酸。黃壤膠體分散穩(wěn)定性強(qiáng)烈依賴于pH的大小、電解質(zhì)的類型及濃度，而溫度對其穩(wěn)定性幾乎沒有影響。
　　 ⑶電解質(zhì)濃度顯著影響黃壤膠體的凝聚機(jī)制。隨著電解質(zhì)濃度的上升，黃壤膠體凝聚首先表現(xiàn)為慢速的RLCA凝聚機(jī)制，然后轉(zhuǎn)向快速的DL

5、CA凝聚機(jī)制，存在明顯的轉(zhuǎn)折突變點。RLCA機(jī)制形成分形維數(shù)為1.58的緊實凝聚體，而DLCA機(jī)制形成分形維數(shù)為1.45疏松凝聚體。突變點提供了一個實驗測定土壤膠體凝聚臨界濃度(CFC)的方法。黃壤膠體的KNO3的CFC為40 mmol．L—1，而Mg(NO3)2的CFC為0.4 mmol．L—1，遠(yuǎn)小于一價離子，是一價離子的1/100左右，低于1/64這一Sckulze—Hardy規(guī)則的理論值。二價Ca2+、Mg2+的存在顯著促進(jìn)了土

6、壤膠體顆粒的多級聚合，從而形成更加疏松的凝聚體。即使土壤本體溶液中Ca2+、Mg2+濃度低至0.0001mol．L—1數(shù)量級，快速的多級聚合仍然可以發(fā)生，其臨界濃度比一價離子體系低100多倍。
　　 ⑷初始顆粒密度越大凝聚完成時間越短，臨界絮凝濃度(CFC)越小，越能促進(jìn)黃壤膠體凝聚，但形成凝聚體越小，結(jié)構(gòu)更緊實。這預(yù)示著在含水量較低時才能發(fā)生凝聚的土壤，難以形成疏松的多級凝聚體。
　　 ⑸溫度上升并不改變黃壤膠體的DL

7、CA凝聚機(jī)制，但溫度升高黃壤膠體的凝聚完成時間縮短，速率由平穩(wěn)、上升而后下降；形成的凝聚體分形維數(shù)逐漸增大，預(yù)示溫度上升使凝聚體結(jié)構(gòu)變得更緊實。
　　 ⑹pH值作用下，黃壤膠體的凝聚機(jī)理不同。在低pH值下由電荷中和反應(yīng)引起的凝聚，其速率遠(yuǎn)大于高pH值下由雙電層壓縮而引起凝聚。
　　 ⑺腐殖質(zhì)膠體參與下土壤膠體的凝聚僅僅是鹽基離子作用下有機(jī)—無機(jī)膠體相互作用結(jié)果。腐殖質(zhì)膠體顆粒發(fā)生快速凝聚的電解質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于黃壤顆粒，而且腐

8、殖質(zhì)凝聚體的分形維數(shù)普遍比黃壤凝聚體高，表明其結(jié)構(gòu)更緊實。黃壤凝聚、黃壤—胡敏酸凝聚初期形成凝聚體結(jié)構(gòu)一致，而在10天后黃壤—胡敏酸凝聚體的相對穩(wěn)定正是因為胡敏酸的加入，說明有機(jī)質(zhì)并不影響土壤膠體凝聚體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，但顯著促進(jìn)所形成的土壤凝聚體的穩(wěn)定。
　　 ⑻無論那種熱力學(xué)條件下產(chǎn)生的黃壤膠體凝聚體，都表現(xiàn)出分形維數(shù)隨放置時間的增長而增長，說明凝聚體內(nèi)部顆粒的重組使黃壤凝聚體結(jié)構(gòu)變得更緊實。
　　 ⑼各種熱力學(xué)條件作用下