考慮土粒表面電場作用下的離子液膜擴散.pdf

1、離子擴散是土壤中物質傳輸?shù)闹匾问?。土壤中營養(yǎng)元素的遷移及滲透，有毒、有害化學物質的轉化與歸宿等都與之有密切的關系。土壤中的離子擴散包括液膜擴散和顆粒擴散。許多研究者運用Fick擴散定律研究各種條件(水分、土壤質地、陽離子交換量等)對離子在土壤中擴散傳輸?shù)挠绊?。所有這些研究都存在一個主要問題：沒有考慮土壤顆粒外電場對離子擴散傳輸?shù)挠绊?。然而，土壤又是一個巨大的外電場體系。因此，要準確描述離子在土壤中的擴散傳輸過程就必須考慮土壤中的強大外

2、電場。外電場中離子擴散方程以及土壤表面電化學性質方法的建立為研究外電場中的離子擴散奠定了方法和理論基礎。 首先，本文采用恒流法對磚紅壤和中性紫色土表面電荷總量、表面電位、表面電荷密度、表面電場強度以及比表面積進行了測定和計算，并進行比較分析；在此基礎上，研究了兩種土壤表面電荷性質隨外部環(huán)境(電解質濃度、電解質類型、環(huán)境溫度、pH等)改變而變化的特點；最后，在表面電化學性質測定的相同條件下，采用恒流法研究K+、Mg2+在兩種土壤中

3、的擴散特征，分析它們的擴散動力學過程，并測定不同土壤中的擴散通量及擴散系數(shù)。研究結果表明： 1)采用恒流法測得2∶1型電解質中紫色土的表面電位約為-0.18V，磚紅壤的表面電位約為-0.10V。紫色土的表面電位絕對值約為磚紅壤的兩倍。中性紫色土和磚紅壤表面電荷密度分別為-0.55Cm-2，-0.038Cm-2；表面電場強度分別為-4.41E+08Jm-1C-1，-5.40E+07Jm-1C-1。紫色土的表面電荷密度、表面電場強度

4、的值都比磚紅壤高出約一個數(shù)量級。在1∶1型電解質體系中，兩種土壤表面電位變化趨勢基本一致，明顯高于在2∶1型電解質體系中的測定值，前者約為后者的2倍。表面電荷密度和表面電場強度在兩種電解質體系中的變化趨勢并不相當，在各濃度下，磚紅壤在2∶1型電解質體系的表面電荷密度都比1∶1型電解質體系中的表面電荷密度高。 2)兩種土壤電荷總量、表面電荷密度隨電解質濃度增加呈增加趨勢，磚紅壤的增加幅度要遠大于中性紫色土；而表面電位隨電解質濃度的

5、增加有所降低，同樣磚紅壤的減小幅度要遠大于中性紫色土。pH對中性紫色土表面電荷性質的改變不是特別明顯，而對磚紅壤的表面電位和表面電荷密度都有很大程度的增加。隨溫度的升高，兩種土壤的表面電荷總量、表面電位、表面電荷密度都表現(xiàn)出減少的趨勢。這可能由于溫度升高導致了膠體凝聚以及離子在雙電層中的分布的改變。恒流法測定的兩種表面電荷參數(shù)以及隨環(huán)境條件改變的差異，明確的反映了兩類土壤表面的不同表面電化學性質的特征。 3)K+、Mg2+在兩種

6、土壤中擴散動力學分析發(fā)現(xiàn)，在磚紅壤中擴散初期(20～3min)存在負一級動力學過程，而后為一級動力學過程。而在中性紫色土中一直為一級動力學過程，因為相對于磚紅壤，中性紫色土的比表面積要大得多，而兩者的液膜體積相差不大，離子在中性紫色土中擴散路徑比較小，所以負一級動力學過程并沒有出現(xiàn)。 4)中性紫色土中不同電解質和溫度條件下，平衡時其擴散總通量2.6mg/g～3.1mg/g；而磚紅壤中在與其對應的電解質和溫度條件下，其擴散總通量為

7、0.26mg/g～0.51mg/g，可以看出中性紫色土的擴散平衡時的總通量遠大于磚紅壤，是磚紅壤的6～10倍。這些差異主要決定于兩種土壤表面電荷密度之間的差異。電解質濃度的增加，兩種土壤中離子擴散平衡時的總通量都有一定的程度的增加。中性紫色土增加8﹪左右，而磚紅壤增加近90﹪。隨著pH由5.5～8.5，在中性紫色土中離子擴散平衡時的總通量略有增加，但磚紅壤中增加顯著，增幅達40﹪左右。兩種土壤中離子平衡時的總通量的差異以及隨環(huán)境條件變化

8、趨勢的差異反映了表面電荷密度或電場強度對離子在土壤中擴散影響。 5)從兩種土壤離子通量隨時間的變化特點，可以反映出中性紫色土中離子擴散速度要遠大于磚紅壤。中性紫色土不同溫度條件下，離子擴散系數(shù)1.17～1.91×10-9cm2/s；而磚紅壤中在與其對應溫度條件下，離子擴散系數(shù)為0.23～0.45×10-9cm2/s。紫色土的擴散系數(shù)遠大于磚紅壤，是磚紅壤的4～5倍。隨pH變化，中性紫色土中離子擴散系數(shù)隨著pH升高略有增加，而磚紅