离子界面反应对矿物及矿物-细菌混合胶体凝聚的影响

发布时间：2020-11-20 00:37

　　 土壤胶体颗粒如矿物、有机和微生物等表面都带有大量的电荷,这些电荷可在其表面及其附近溶液中形成强电场。吸附在胶体表面的不同离子在强电场影响下将产生不同的效应,称离子特异性效应。土壤胶体固/液界面离子反应的微观机制严重地影响土壤各类胶体颗粒间的相互作用,进一步影响土壤中的养分循环、重金属和病原菌的分布与迁移和土壤侵蚀、土壤团聚体的形成与稳定以及土壤水分入渗等宏观现象的发生。本研究选取蒙脱石矿物、细菌(大肠杆菌、枯草芽孢杆菌)为研究对象,研究了不同离子在蒙脱石表面的吸附动力学,以及“蒙脱石-蒙脱石”和“蒙脱石-细菌”相互作用的凝聚动力学,以揭示离子界面反应中离子特异性效应的发生机制,进而揭示“蒙脱石-蒙脱石”和“蒙脱石-细菌”相互作用中离子特异性效应的发生机制,取得了如下研究结果:(1)离子在粘土矿物表面的吸附研究中,以蒙脱石为实验材料,研究了无核外电子的H~+、有核外电子但离子半径差异很大的Li~+和Cs~+两种离子的界面吸附能,以阐明静电力、配位键、非经典极化、色散力和离子对等在“阳离子-蒙脱石”界面反应中的作用。结果发现:离子半径最大电子数最多的Cs~+和离子半径最小且无核外电子的H~+的界面吸附能非常接近,但它们与Li~+的界面吸附能差异很大;Li~+的吸附可用经典的静电吸附作用得到解释,但H~+和Cs~+都存在非静电吸附作用,它们的非静电吸附能都随电解质浓度的降低而增大;当电解质浓度高至0.1M时,Cs~+的吸附量将超过阳离子交换量。进一步的理论分析发现:H~+的非静电吸附可用“H~+-O”之间的配位吸附来解释,而且该配位键强度是电场依赖的;Cs~+的非静电力吸附可用Cs~+的非经典极化作用来解释,它也是电场依赖的;高电解质浓度下Cs~+和陪伴阴离子NO_3~-由于色散力的作用,而以Cs~+-NO_3~-离子对的方式吸附在蒙脱石表面上。(2)“蒙脱石-蒙脱石”间的凝聚动力学研究表明,Na~+-蒙脱石、K~+-蒙脱石和H~+-蒙脱石的凝聚中均存在离子特异性效应。对于Li~+、Cs~+和Ca~(2+),在Na~+-蒙脱石凝聚过程中的临界聚沉浓度值(CCC)分别为121.1、45.8和1.27mmol L~(-1),在K~+-蒙脱石凝聚过程中的临界聚沉浓度值(CCC)值分别为88.9、23.7和1.11mmol L~(-1),在H~+-蒙脱石凝聚过程中的临界聚沉浓度值(CCC)值分别为11.6、4.4和0.83mmol L~(-1),即在三种蒙脱石胶体凝聚中,临界聚沉浓度值的离子特异性效应序列均为Li~+Cs~+Ca~(2+)。该结果还表明,同种离子存在下,三种蒙脱石胶体凝聚中CCC值的大小顺序都是表现为:Na~+-蒙脱石K~+-蒙脱石矿物H~+-蒙脱石。Li~+和Cs~+在Na~+-蒙脱石、K~+-蒙脱石矿物和H~+-蒙脱石中表现出的离子特异性效应强度依次减小。Li~+、Cs~+和Ca~(2+)引发H~+-蒙脱石胶体总体平均凝聚速率大于K~+-蒙脱石胶体。Na~+、K~+和H~+-蒙脱石胶体的这种差异来源于这两种离子的空间位阻效应、共价作用和极化作用的差异。通过不同pH下Li~+在蒙脱石矿物胶体凝聚过程中的CCC值可知H~+与其表面上暴露的O形成共价键,紧密分布在矿物表面。(3)在“细菌-细菌”凝聚的研究中发现,一价阳离子Li~+、Cs~+和二价阳离子Ca~(2+)均不能使悬液中的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌发生凝聚。在“细菌-矿物”相互作用的研究中发现,不论是“枯草芽孢杆菌-K~+蒙脱石”、“枯草芽孢杆菌-H~+蒙脱石”还是“大肠杆菌-K~+蒙脱石”、“大肠杆菌-H~+蒙脱石”,其混合体系凝聚过程中的CCC值都表现为Li~+Cs~+Ca~(2+)的离子特异性效应的序列。对于Li~+、Cs~+、Ca~(2+)的凝聚临界值,在“枯草芽孢杆菌-K~+蒙脱石”中分别为122.015、51.728、3.848mmol L~(-1),在“枯草芽孢杆菌-H~+蒙脱石”中分别为17.329、5.505、3.5256 mmol L~(-1),在大“大肠杆菌-K~+蒙脱石”中分别为70.85、40.282、1.032 mmol L~(-1),在“大肠杆菌-H~+蒙脱石”中分别为9.481、6.319、0.567 mmol L~(-1)。在给定的“细菌-矿物”混合体系和给定电解质浓度下,总体平均凝聚速率表现为Ca~(2+)Cs~+Li~+的顺序。“细菌-K~+蒙脱石”比“细菌-H~+蒙脱石”混合胶体的总体平均凝聚速率低。“枯草芽孢杆菌-K~+/H~+-蒙脱石”混合体系的总体平均凝聚速率高于“大肠杆菌与K~+/H~+-蒙脱石”混合体系。细菌-K~+-蒙脱石”和“细菌-H~+-蒙脱石”分别与“K~+-蒙脱石”和“H~+-蒙脱石”表现出相似的结果,即由离子在矿物界面的吸附情况决定胶体凝聚的行为。“枯草芽孢杆菌-矿物”和“大肠杆菌-矿物”凝聚的差异主要源于离子在两种细菌表面吸附力强度的不同。基于上述研究结果,我们可以得出以下几点结论:不论是在离子界面吸附,还是在“细菌-蒙脱石”相互作用中,H~+、Li~+、K~+、Cs~+和Ca~(2+)都表现出了很强的离子特异性效应。对于同价离子而言,离子特异性效应的强度顺序为H~+≥Cs~+K~+Li~+。离子界面吸附的作用力类型和作用力强度的差异是离子特异性效应发生的的根本原因,其中Li~+在蒙脱石表面几乎只存在静电作用,在蒙脱石表面K~+/Cs~+/Ca~(2+)吸附是静电作用、极化作用和色散力等三种作用力的共同作用,H~+吸附则是静电作用和共价作用的共同作用.离子界面吸附中的离子特异性效应导致“细菌-蒙脱石”相互作用中的离子特异性效应。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S153.3
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 文献综述
    1.1 矿物胶体和细菌胶体界面性质
        1.1.1 矿物胶体及其表面性质
        1.1.2 微生物及其表面性质
    1.2 胶体（固-液）界面反应类型
        1.2.1 矿物胶体表面对离子的吸附作用
        1.2.2 离子在胶体颗粒表面的吸附机制
        1.2.3 胶体颗粒的凝聚机制
        1.2.4 矿物、矿物/微生物胶体凝聚的作用
        1.2.5 矿物-微生物相互作用
第2章 绪论
    2.1 研究目的和意义
    2.2 研究目标
    2.3 研究内容
+、Li⁺、Cs⁺在蒙脱石界面的吸附机制'>        2.3.1 H⁺、Li⁺、Cs⁺在蒙脱石界面的吸附机制
+-蒙脱石和K⁺-蒙脱石胶体凝聚中的离子特异性效应'>        2.3.2 H⁺-蒙脱石和K⁺-蒙脱石胶体凝聚中的离子特异性效应
        2.3.3 特异性离子对矿物-大肠杆菌/枯草芽孢杆菌相互作用的影响
    2.4 技术路线
+、Li⁺、Cs⁺在蒙脱石界面的吸附机制'>第3章 H⁺、Li⁺、Cs⁺在蒙脱石界面的吸附机制
    3.1 引言
    3.2 材料方法
        3.2.1 实验样品的制备
        3.2.2 固/液界面离子交换/吸附实验
        3.2.3 Zeta电位的测定
        3.2.4 动力学实验数据处理方法
    3.3 结果与讨论
+（Li⁺和H⁺）-Cs⁺交换吸附动力学'>        3.3.1 X⁺（Li⁺和H⁺）-Cs⁺交换吸附动力学
+（Li⁺和Cs⁺）-H⁺交换吸附动力学'>        3.3.2 X⁺（Li⁺和Cs⁺）-H⁺交换吸附动力学
+、H⁺和Cs⁺在蒙脱石表面的界面吸附能'>        3.3.4 Li⁺、H⁺和Cs⁺在蒙脱石表面的界面吸附能
    3.4 小结
+-蒙脱石、H⁺-蒙脱石和K⁺-蒙脱石胶体凝聚的离子特异性效应'>第4章 Na⁺-蒙脱石、H⁺-蒙脱石和K⁺-蒙脱石胶体凝聚的离子特异性效应
    4.1 实验材料与方法
        4.1.1 蒙脱石及饱和样胶体悬液的制备
        4.1.2 X衍射试验
        4.1.3 动态光散射测定胶体凝聚动力学实验
    4.2 结果与讨论
+、Cs⁺引发Na⁺-蒙脱石胶体、K⁺-蒙脱石胶体、H⁺-蒙脱石胶体凝聚动力学'>        4.2.1 Li⁺、Cs⁺引发Na⁺-蒙脱石胶体、K⁺-蒙脱石胶体、H⁺-蒙脱石胶体凝聚动力学
2+引发Na⁺-蒙脱石胶体、K⁺-蒙脱石胶体、H⁺-蒙脱石胶体凝聚动力学'>        4.2.2 Ca²⁺引发Na⁺-蒙脱石胶体、K⁺-蒙脱石胶体、H⁺-蒙脱石胶体凝聚动力学
        4.2.3 矿物凝聚过程中离子特异性效应发生的机制
    4.3 本章小结
第5章 特异性离子对矿物-大肠杆菌/枯草芽孢杆菌相互作用的影响
    5.1 引言
    5.2 材料方法
        5.2.1 矿物胶体的制备
        5.2.2 细菌胶体的制备
        5.2.3 动态光散射技术测定细菌与蒙脱石矿物相互作用的内容
        5.2.4 矿物和细菌Zeta电位
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 细菌胶体的凝聚
+和Cs⁺）对“细菌-矿物”的凝聚的影响'>        5.3.2 一价阳离子（Li⁺和Cs⁺）对“细菌-矿物”的凝聚的影响
2+)对“细菌-矿物”凝聚的影响'>        5.3.3 二价阳离子(Ca²⁺)对“细菌-矿物”凝聚的影响
    5.4 小结
第6章 主要结论与展望
    6.1 主要结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
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