动态光散射技术测定土壤胶体Hamaker常数的研究

摘要

土壤中的矿质胶体，有机胶体和有机无机复合胶体，大小均集中在几十到几千个纳米的介观尺度范围内。它们是土壤具有肥力和生态功能的物质基础，土壤胶体颗粒间的相互作用深刻地影响着土壤中绝大多数微观过程和宏观现象的发生。土壤胶体颗粒间的相互作用遵循带电胶体颗粒表面的双电层理论和 DLVO理论，根据 DLVO理论，带电胶体颗粒相互作用是范德华引力和静电斥力共同作用的结果。范德华引力是胶体颗粒相互作用中的重要支配力，因此研究范德华引力在土壤胶体颗粒相互作用中的强度与方式有利于深入了解土壤颗粒凝聚与分散的机制。范德华引力Pvdw(λ)（atm）可以通过下式计算，(此处公式省略)
　　其中Aef(J)为有效Hamaker常数，λ为颗粒间距离。Hamaker常数是表征范德华引力的一个关键参数，因此，只要知道了 Hamaker常数，范德华引力强度就可以进行理论计算。所以，在研究土壤颗粒相互作用中，土壤颗粒的Hamaker常数将是一个重要的参数。然而对于土壤胶体的Hamaker常数的还没有有效的测定方法和技术，也没有相关研究对土壤胶体的Hamaker常数进行过测定。因此有必要对土壤胶体的Hamaker常数进行测定。
　　光散射技术已经在高分子材料、胶体化学和纳米材料等研究中被广泛应用，是研究纳米材料和胶体颗粒相互作用机制的重要工具。贾明云等已经将光散射技术成功的引入到复杂的自然土壤胶体凝聚研究的实验中，并且通过监测凝聚体的平均有效水力直径随时间的变化过程成功的反应出土壤胶体凝聚体的动力学过程。基于动态光散射技术在土壤胶体相互作用的成熟应用，本研究首先将在已有的动态光散射研究土壤胶体凝聚过程的方法基础之上，建立动态光散射技术测定土壤胶体 Hamaker常数的新理论和新方法。基于动态光散射技术测定土壤胶体Hamaker常数的新方法，测定单一矿物质蒙脱石胶体（模型体系）的Hamaker常数。然后以恒电荷为主的紫色土胶体和以可变电荷为主的黄壤胶体作为研究材料，测定这两种复杂土壤胶体的Hamaker常数。并分析三种土壤胶体的范德华引力强度，进一步深入研究土壤颗粒凝聚与分散的机制。主要结论如下：
　　1.本研究初步建立了动态光散射技术测定土壤胶体 Hamaker常数的新理论和新方法。
　　2.利用该方法测得以2:1型粘土矿物蒙脱石胶体的Hamaker常数为6.5×10-20J；以恒电荷为主的紫色土胶体的Hamaker常数为7.5×10-20J；以可变电荷为主的黄壤胶体的Hamaker常数为5.3×10-19J。根据现有的文献资料，大部分材料的Hamaker常数值处于10-19～10-20J，本研究测得的三种土壤胶体的Hamaker值符合理论值（数量级为10-19～10-20J），表明所测得的土壤胶体的有效 Hamaker常数是合理的。由于土壤物质组成非常复杂，所以采用此法测定的土壤 Hamaker常数是土壤各种物质的Hamaker常数的表观平均值。
　　3.测得黄壤胶体的Hamaker常数＞紫色土胶体的Hamaker常数＞蒙脱石胶体的Hamaker常数。黄壤胶体的Hamaker常数是紫色土胶体的Hamaker常数7.1倍，是蒙脱石胶体的Hamaker常数的8.2倍。黄壤胶体的Hamaker常数远远大于紫色土胶体和蒙脱石胶体。基于 Hamaker常数的测定，从而得出，在胶体颗粒距离一定的时候，黄壤胶体颗粒间的范德华引力远远大于紫色土和蒙脱石胶体颗粒间的范德华吸引力。
　　4.动态光散射技术不仅可以测定单一矿物质土壤胶体的Hamaker常数，该方法同样适用于其他多分散体系胶体的Hamaker常数的测定，可以测定多分散土壤胶体的Hamaker常数。
　　5.研究表明在Li+体系中蒙脱石胶体的临界聚沉浓度值（CCC）为42.5mmol/L，紫色土胶体的临界聚沉浓度值（CCC）为332.1mmol/L，黄壤胶体的临界聚沉浓度值（CCC）为7.4mmol/L。在Li+电解质作用下，黄壤胶体(CCC)＜蒙脱石胶体(CCC)＜紫色土胶体＜（CCC）。电解质LiCl对黄壤的胶体的聚沉能力＞对蒙脱石胶体的聚沉能力＞对紫色土胶体的聚沉能力。黄壤胶体和紫色土胶体的Li+的临界聚沉浓度值（CCC）差异之大，造成这种差异是由于黄壤胶体的Hamaker常数大，颗粒间的范德华引力大，位能高度越小，更容易聚沉。黄壤胶体较紫色土胶体和蒙脱石胶体的分散稳定性更差，当体系中只要加入低浓度的电解质即可降低静电斥力，势垒变小，黄壤胶体发生快速聚沉。而在同样的电解质浓度下，紫色土胶体的范德华吸引力较黄壤胶体小，静电斥力占优势，总位能大，胶体不发生凝聚。
　　6.紫色土胶体较黄壤胶体悬液更稳定。造成这两种土壤胶体悬液的稳定性上的差异，是由于这两种胶体物质特性不同引起Hamaker常数不同而引起的。
　　7.虽然理论上用动态光散射技术测定胶体的Hamaker常数应该具有一定优势。但是，由于目前没有测定 Hamaker常数的标准方法，本法的精读验证难以实现。所以，采用动态光散射技术测定物质 Hamaker常数，其可靠性还需要更多的研究进行确认。

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第1章 文献综述

1.1土壤胶体

1.2 土壤胶体的类型

1.3土壤胶体特性

1.4胶体稳定聚沉理论（DLVO理论）

1.5 Hamaker常数

1.6动态光散射法的理论基础

1.7小结

第2章 绪论

2.1立题依据

2.2研究目标

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章 建立测定土壤胶体Hamaker常数的动态光散射新方法

3.1动态光散射技术测定土壤胶体Hamaker常数的方法原理

3.2 动态光散射技术测定土壤胶体临界聚沉浓度（CCC）值

3.3 小结

第4章 动态光散射技术测定单一蒙脱石胶体Hamaker常数

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3结果与讨论

4.4利用动态光散射测定蒙脱石胶体Hamaker常数

4.5小结

第5章 动态光散射技术测定（紫色土、黄壤）胶体的Hamaker常数

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3紫色土胶体、黄壤胶体的制备

5.4紫色土胶体、黄壤胶体凝聚动力学光散射研究

5.5实验测定结果

5.6小结

第6章 不同浓度KCl电解质作用下紫色土胶体、黄壤胶体凝聚的动态光散射研究

6.1 引言

6.2实验材料与方法

6.3结果与讨论

6.4 小结

第7章 主要结论及展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

致谢

论文发表及参与课题情况