2:1型粘土团聚体稳定性及粘土水迁移中的离子特异性效应

发布时间：2018-02-14 04:28

本文关键词： 界面反应离子特异性效应腐殖质团聚体颗粒迁移　出处：《西南大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：土壤颗粒随水迁移常引发水土流失、农田面源污染等一系列生态与环境问题,其中团聚体的破碎被认为是土壤颗粒随水迁移发生的开始。降雨过程中土壤团聚体分散成小粒径的微团聚体颗粒或单粒,这些小的土壤颗粒经溅蚀作用、雨水冲刷等作用发生迁移,造成土壤流失。因此,控制团聚体的破碎程度是控制土壤颗粒水迁移强度直接而有效的手段。一直以来,雨滴打击等外部作用被普遍认为是降雨引发团聚体破碎的主导作用,然而,最近研究指出,相比于经典侵蚀理论中的各种外力作用,土壤胶体颗粒间强大的内力作用才是主导团聚体破碎的主要因素。实际上我们看到的土壤“干土凝聚成块、湿土分散成粒”的宏观现象全都是基于土粒间各种内在相互作用力差异的外在表现。腐殖质作为土壤中有机质的主要组成成份,被认为是影响团聚体稳定性的重要因素。腐殖质粒径大小介于100-500 nm,与大多数土壤矿物一样属于典型的土壤胶体颗粒,所以,腐殖质与矿物之间的凝聚本质上是胶体颗粒间的凝聚,二者之间的相互作用必然会对团聚体稳定性产生重要影响。经典的DLVO理论只考虑了离子界面反应中离子浓度和化合价的贡献,而忽略了同价离子间颗粒相互作用的差异,即离子的特异性效应。已有研究表明,同价态不同离子在胶体颗粒相互作用中表现出了强烈的离子特异性效应。那么,这种效应必然也会影响腐殖质与矿物胶体颗粒之间的相互作用,从而对团聚体稳定性造成影响。基于此,本研究将从胶体颗粒相互作用出发,探讨基于不同离子界面反应下土壤颗粒间相互作用力的差异,阐明其对腐殖质-粘土团聚体稳定性的影响,进而阐明其对粘粒水迁移强度的影响。本研究以蒙脱石粘土团聚体为材料,用K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)四种阳离子表征不同离子界面反应特征,以团聚体分散强度和粘粒水迁移强度来表征其对团聚体稳定性和粘土流失强度的影响,结果表明:(1)Na~+/K~+界面反应对粘土团聚体稳定性影响的实验结果表明,无论是否含有腐殖质,K~+体系中团聚体稳定性均强于Na~+体系的,并且两体系中团聚体稳定性之间的差异随电解质浓度的降低而增大。通过计算发现,Na~+体系中颗粒的电场强度远高于同浓度下的K~+体系,相应地Na~+体系中粘粒间静电排斥力远强于K~+体系。K~+体系中,随腐殖质含量的增加,团聚体稳定性增强;Na~+体系中,虽然腐殖质的增加也加强了团聚体的稳定性,但团聚体稳定性并不与腐殖质含量呈正比。通过测定颗粒zeta电位发现,两体系中颗粒zeta电位随腐殖质含量的增加而增大,Na~+体系中的zeta电位均高于同浓度下K~+体系的,与Na~+/K~+体系中颗粒的表面电位具有一致性。通过比较界面反应中离子非经典极化效应与腐殖质对团聚体稳定性的影响发现,离子的强极化作用对团聚体稳定性具有重要影响,其对团聚体的稳定作用明显强于腐殖质的作用,而离子强极化与腐殖质的耦合效应对团聚体的稳定作用要远强于二者单独对团聚体的稳定作用。(2)Ca~(2+)/Mg~(2+)界面反应对粘土团聚体稳定性影响的实验结果表明,Ca~(2+)、Mg~(2+)两种二价阳离子维系团聚体稳定性的能力也存在差异,Ca~(2+)体系中团聚体稳定性更高,通过计算考虑离子非经典极化效应下的粘粒表面电位和静电排斥力发现,相同条件下Ca~(2+)体系中的表面电位和静电排斥力均低于Mg~(2+)体系的。研究还发现,Ca~(2+)/Mg~(2+)体系中腐殖质的加入并没有促进团聚体的稳定,反而促进了团聚体的分散,并且分散程度取决于颗粒电场强度的大小。这似乎与现有理论推测相矛盾,其原因还有待于进一步揭示。其可能的原因之一是,Ca~(2+)/Mg~(2+)可能导致了腐殖质分子间的凝聚,从而减少了腐殖质与粘粒的接触面积。对比二价阳离子与一价阳离子对团聚体稳定性的影响发现,二价阳离子维系团聚体稳定性的能力明显强于一价阳离子的。(3)Na~+/K~+体系中,粘粒水流迁移强度存在明显的离子特异性效应,Na~+体系中粘土颗粒迁移强度远远大于同浓度下的K~+体系。与Na~+/K~+体系中粘土团聚体稳定性实验结果具有一致性,蒙脱石团聚体内部的静电场强度越强,颗粒间的静电排斥压越高,粘土团聚体稳定性越差,粘粒水迁移强度就越大。研究发现,只有当离子界面反应中考虑离子非经典极化作用带来的差异时,粘粒水流迁移强度的实验结果才能与理论预测结果吻合。研究还发现,团聚体中的电场强度主要通过颗粒间的静电排斥力影响粘粒水迁移,但在低电解质浓度下,这个电场还可能通过对水合斥力的影响来影响粘粒的水流迁移强度。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU442

【参考文献】