土壤环境中粘土的分散凝聚行为及其影响因素

摘要

研究土壤中粘土分散凝聚行为对于土壤环境的保护具有重要意义。粘土是土壤的重要组成部分，其稳定性极大地影响着土壤的理化和生物学性质。因此，粘土的分散凝聚行为一直是人们关心和研究的方向。本文以实验室提取的上海土壤粘土和三种粘土矿物（高岭石、蒙脱石和伊利石）为研究对象，分别研究了表面活性剂、高分子、一般无机阳离子和重金属离子对粘土分散凝聚行为的影响，并探讨这些添加物在不同pH条件下对粘土的吸附行为和分散凝聚机理。 表面活性剂存在下粘土的分散凝聚实验结果表明： 1)3种表面活性剂在土壤中的吸附均在各自CMC（Critical micelle concentration，临界胶束浓度）附近达到饱和，饱和吸附量大小顺序为CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)≥A12E9(十二烷基醇聚氧乙烯醚)＞SDBS(十二烷基苯磺酸钠)。3种表面活性剂的吸附机理为：首先分别通过静电引力(CTAB)、氢键(A12E9)、疏水和静电作用(SDBS)在土壤粒子上形成表面半胶束(单层吸附)，随着浓度的增加，均可进一步通过疏水作用在土壤粒子上形成表面亲水性胶束(双层吸附)。3种表面活性剂在吸附机理上的差别源于其带电及两亲基团的不同。 2)阳离子表面活性剂CTAB在较低浓度时形成疏水性粒间表面胶束，可使粘粒凝聚，而在较高浓度时形成亲水性粒内表面胶束，可使粘粒分散。 3)非离子表面活性剂A12E9在粘粒上形成表面胶束，聚氧乙烯链的强烈水化作用导致粘粒溶液的稳定性增加，并且比空白液稳定性更好所以非离子型表面活性剂在很多行业被用作分散剂。4) CTAB存在下粘土矿物的稳定性大小顺序为：高岭石＜伊利石＜蒙脱石。 高分子存在下粘土的分散凝聚实验结果表明：1)阳离子型高分子PAM（聚丙烯酰胺）在较低浓度时对粘粒的架桥作用可使粘粒凝聚，而在较高浓度时的静电斥力可使粘粒分散。对于阳离子型高分子，离子性越强，对粘粒的凝聚作用越强。2)阴离子型高分子AS(强阴离子型)和AW(弱阴离子型)均能使土壤粘粒和伊利石凝聚，且AW效果更好。低浓度的阴离子型高分子对高岭石和蒙脱石的稳定性没有影响，高浓度时能使它们较好地分散。3)中性高分子的分子量越大，对粘粒的凝聚效果越好。由于蒙脱石的良好膨胀性，NP(非离子型)和KA(两性离子型)对蒙脱石的稳定性基本没有影响。 无机离子存在下粘土的分散凝聚实验结果表明：1)一般无机阳离子可通过对粘粒表面扩散双电层的压缩作用导致粘粒凝聚，且离子价数越高压缩作用越强。2)重金属离子在粘粒上的专性吸附，导致其对扩散双电层的压缩作用更强，使粘粒更易凝聚。重金属离子在粘土矿物上的吸附是交换吸附和专性吸附的共同作用。 不同pH下，粘土的分散凝聚实验结果表明：随着pH的升高，粘粒由于表面负电荷的增加而趋于分散。且随pH增加，CFC(Critical flocculation concentration，临界絮凝浓度)呈指数增加。 以上结果说明：粒间表面胶束的形成、架桥作用、双电层的压缩和专性吸附作用等均可使粘土凝聚，降低其稳定性。对这些作用机理的解析可加强对土壤环境中共存物吸附行为的理解，以准确描述粘土的分散凝聚行为，为土壤环境的保护与管理提供理论依据。