“生物炭—蒙脱石”混合胶体凝聚的离子特异性效应

作     者：唐嘉 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李航;田锐

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：生物炭 蒙脱石 离子特异性效应 动态光散射 

摘      要：土壤中的矿物、有机、微生物颗粒间的相互作用影响了土壤团聚体的形成、稳定与分散,进而影响了土壤系列宏观过程的发生。土壤胶体颗粒间的相互作用不仅受到离子浓度,化合价,pH等因素的影响,而且也会受到离子种类的影响,而表现出离子特异性效应或Hofmeister效应。离子特异性效应在土壤体系中是普遍存在的。新的研究表明,源自于界面附近离子的强极化效应可能是离子特异性效应发生的内在本质。由于土壤颗粒带有大量负电荷,在其表面附近可以产生很强的静电场,而在这个电场中的吸附态阳离子将发生强烈的非经典极化。极化后的阳离子在表面所受到的作用力强度将远远超过该离子所受到的静电力,从而增强了阳离子屏蔽土壤颗粒周围负电场的能力,进而影响土壤颗粒之间的静电排斥力、水合排斥力和分子引力,最终影响了土壤颗粒间的相互作用和土壤颗粒的凝聚。生物炭是生物质材料在缺氧或绝氧环境中,经高温热裂解后生成的粒径在纳米至微米级的固态颗粒,而且其颗粒表面通常带负电荷。生物炭广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等,可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关注的热点问题提供解决方案。生物质热解生产的生物炭越来越受到社会各界的关注。随着生物炭在土壤中的应用越来越多,会形成和积累更多的纳米级生物炭,从而使其对环境的影响更加显著。生物炭颗粒一旦暴露在土壤中,就不可避免地与土壤矿物质接触。生物炭与矿物相互作用可能使土壤有机质进入生物炭-矿物复合体。矿物与生物炭的结合不仅提高了生物炭的抗氧化性,而且可以提高土壤团聚体的结构稳定性。由于生物炭颗粒与土壤矿物颗粒都带有负电荷,因而其颗粒表面及表面附近介质中都存在电场。因此,生物炭与矿物颗粒间的相互作用可能存在由离子非经典极化所引发的离子特异性效应。因此开展生物炭与黏土矿物颗粒相互作用的离子特异性效应研究,对于深入揭示生物炭与土壤颗粒间的相互作用机制、促进生物炭的合理利用都将具有重要意义。本文基于生物炭和蒙脱石胶体颗粒相互作用的动态光散射实验,通过测定不同阳离子条件下生物炭和蒙脱石混合胶体体系的凝聚动力学过程,阐明“生物炭-黏土矿物凝聚的离子特异性效应,取得了以下研究结果:(1)单一矿物胶体蒙脱石凝聚过程中,离子特异性效应影响着凝聚速率、临界聚沉浓度和活化能。蒙脱石颗粒凝聚速率的Hofmeister序列为Li+Na+KCsCa。(2)500℃的生物炭胶体凝聚过程中,凝聚速率的Hofmeister序列为Li+NaKCsCa。(5)“生物炭-蒙脱石混合胶体颗粒表面带负电,不同离子存在时混合胶体颗粒平均ζ电位的Hofmeister序列为LiNaKCsCa。(6)胶体凝聚的Homfeister序列与离子非经典极化的Hofmeister序列一致。综合上述结果,我们可得出以下结论:(1)添加生物炭能增强蒙脱石胶体悬液的稳定性;(2)“生物炭-蒙脱石凝聚过程受离子特异性效应所支配;(3)离子半径越大,非经典极化率越高,离子在颗粒表面的吸附力越强,该离子屏蔽电场的能力就越强场,因此,离子界面反应中的离子特异性效应是胶体凝聚的离子特异性效应的原因。