土壤胶体颗粒相互作用的光散射研究

摘要

土壤中的无机、有机和微生物胶体，是土壤中最活跃的部分，也是土壤具有肥力和生态功能的物质基础。其大小主要集中于几十到几百个纳米的介观尺度范围内，具有特殊的界面尺度效应。土壤中各种有机、无机和微生物胶体的相互作用深刻地影响到土壤中绝大多数微观过程和宏观现象的发生。然而由于测试手段的限制，目前对介观尺度土壤胶体颗粒之间相互作用的微观效应研究还未引起足够的重视。本文从散射角和悬液颗粒密度两个方面讨论了光散射技术在多组分、多分散性土壤胶体研究中的应用条件，探讨了不同pH和电解质类型与浓度下土壤中无机胶体和有机胶体的凝聚动力学机制及形成的凝聚体结构特征，初步得出以下结论：
　　 (1)光散射技术仍然可以应用于多组分、多分散性的土壤胶体颗粒的粒径分布、土壤胶体颗粒的凝聚动力学和凝聚体结构特征的研究中。本研究提出的最佳测定条件为：胶体悬液的单体颗粒密度为1.90-119 mg L-1，而可准确测定土壤胶体颗粒凝聚动力学的动态光散射角度范围为90°-135°，而以90°为最好。在自相关函数曲线能够平滑地衰减至基线且散射光强保持不变的条件下，动态光散射能够准确给出土壤胶体凝聚过程中颗粒(凝聚体)的有效直径及其分布的变化。通过静态光散射技术连续测定不同散射角下颗粒(凝聚体)的散射光强，可以得到凝聚体的散射指数随凝聚时间的变化曲线，进而可确定凝聚体的分形维数。
　　 (2)黄壤和腐殖质胶体颗粒的稳定性受pH的影响很大。黄壤胶体悬液pH＜6.65时，胶体颗粒因质子的中和作用发生快速凝聚；pH＞12时，则在K+的作用下因双电层压缩而发生凝聚。而腐殖质胶体悬液只有在体系pH≤2.0时，由于电荷中和作用发生等电点附近凝聚。黄壤胶体悬液在pH6.65-12，腐殖质胶体悬液在pH2.0以上时处于动力学相对稳定状态。本实验提取出的黄壤和腐殖质胶体颗粒的有效直径大小均为175±10 nm，集中分布于100-300 nm。
　　 (3)pH8.0的黄壤和不同pH的腐殖质胶体悬液在电解质作用下的凝聚动力学具有相似的特征，即凝聚过程都包含了RLCA慢速凝聚和DLCA快速凝聚机制。在RLCA机制下，随电解质浓度的增加，土壤胶体颗粒的生长曲线由线性逐渐转变为幂函数增长，但未出现普适性的指数增长规律；而在DLCA机制下，颗粒的生长均呈幂函数规律，且不同电解质浓度下其颗粒(凝聚体)的生长曲线几乎重合在一起。
　　 土壤胶体颗粒的平均凝聚速率随电解质浓度的变化曲线可分为两段，即低电解质浓度下呈线性增大，高电解质浓度下在一常数附近波动。这两段之间有一个明显的转折点，可以用来准确判定胶体的临界聚沉浓度和凝聚动力学机制。在本实验条件下，pH8.0的黄壤体系中KCl作用下黄壤胶体的临界聚沉浓度(CFC)为25.4 mmol L-1，而CaCl2作用下的临界聚沉浓度(CFC)为1.4 mmol L-1，K+作用下黄壤胶体的临界聚沉浓度约为Ca2+作用下的20倍。CaCl2作用下不同pH的腐殖质胶体的CFC值分别为：pH3.0，CFC14.4 mmol L-1；pH5.0，CFC44.0mmol L-1；pH6.5，CFC45.9 mmol L-1；pH8.0，CFC52.7 mmol L-1。随体系pH值的升高，腐殖质胶体的临界聚沉浓度不断增大。而KCl作用下pH3.0的腐殖质胶体的CFC为427.6mmol L-1，约为Ca2+的30倍，与黄壤胶体体系有显著差异，表明胶体颗粒的表面电化学性质不同，二价离子与一价离子对胶体的聚沉能力将有所不同。
　　 (4)DLCA机制下，pH8.0的黄壤胶体凝聚体的分形维数为1.44±0.02；不同pH的腐殖质胶体在CaCl2作用下和pH3.0的腐殖质胶体在KCl作用下形成的大分子腐殖质的分形维数为1.80±0.05。而RLCA机制下，随着电解质浓度的降低，凝聚体的分形维数不断增大，黄壤约为1.53-1.65，腐殖质约为1.85-1.98，表明单纯的腐殖质有机胶体相互作用形成的凝聚体比单纯的黄壤矿质胶体的结构紧实。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章文献综述

1.1土壤胶体类型与性质

1.2土壤胶体凝聚学说

1.3胶体稳定凝聚理论(DLVO理论)

1.4影响土壤胶体颗粒凝聚与分散的因素

1.4.1土壤颗粒类型与大小

1.4.2颗粒密度

1.4.3 pH

1.4.4电解质类型和价态

1.4.5有机质

1.4.6氧化物

1.4.7动能、温度和水流速度

1.5胶体颗粒相互作用的研究方法

1.5.1计算机模拟方法

1.5.2实验方法

第2章绪论

2.1研究的目的和意义

2.2研究目标

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1实验材料和样品处理

3.2.2研究方法

3.3结果与讨论

3.3.1土壤胶体颗粒测定的光散射应用条件研究

3.3.2光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用

3.4本章小结

第4章黄壤胶体颗粒相互作用的光散射研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1实验材料和样品处理

4.2.2黄壤胶体颗粒的pH稳定性

4.2.3不同电解质条件下黄壤胶体颗粒相互作用的光散射研究

4.3结果与讨论

4.3.1不同pH下黄壤胶体悬液的稳定性研究

4.3.2不同电解质条件下黄壤胶体颗粒相互作用的动态光散射研究

4.3.3不同电解质条件下黄壤胶体颗粒相互作用的静态光散射研究

4.4.本章小结

第5章土壤腐殖质胶体颗粒相互作用的光散射研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1实验材料和样品处理

5.2.2不同pH下土壤腐殖质的稳定性

5.2.3不同pH和电解质作用下土壤腐殖质胶体颗粒的相互作用

5.3结果与讨论

5.3.1不同pH下土壤腐殖质胶体悬液的稳定性研究

5.3.2不同pH和电解质作用下土壤腐殖质颗粒凝聚动力学研究

5.3.3不同pH和电解质作用下土壤腐殖质的凝聚速率

5.3.4不同pH和电解质作用下土壤腐殖质凝聚体的结构性质

5.4.本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

在校期间发表的论文及参与的研究课题