胡敏酸-蒙脫石膠體凝聚動力學(xué)的Hofmeister效應(yīng)：非靜電作用機(jī)制初探.pdf

1、土壤中粒徑<103nm量級的有機(jī)/無機(jī)顆粒在土壤各種功能形成中扮演重要角色。在自然界中，由于干濕交替、熱的周期性變化以及人類活動的干預(yù)等，土壤中 pH值、溫度、電解質(zhì)類型等熱力學(xué)條件不斷改變，引起土壤膠體受力情況和膠體顆粒相互作用的變化，土壤膠體凝聚或分散頻繁、自發(fā)地交替進(jìn)行著。這些過程的發(fā)生，同時也深刻地影響著土壤中眾多的微觀過程和宏觀現(xiàn)象的發(fā)生，這些微觀過程與當(dāng)今人類所面臨的農(nóng)業(yè)面源污染、水土流失、養(yǎng)分遷移等宏觀現(xiàn)象密切相關(guān)。

2、>　　Hofmeister效應(yīng)又稱離子特異性效應(yīng)，大約120年前由Franz Hofmeister及其合作者發(fā)現(xiàn)于所做的蛋白質(zhì)凝聚實驗。該實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中含有不同的陽離子（特別是同價態(tài)不同離子）或陰離子時，蛋白質(zhì)的凝聚特征表現(xiàn)出巨大差異，而且近期研究發(fā)現(xiàn)這種差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過因離子體積、水合體積和色散力不同引起的差異。近年來關(guān)于土壤膠體的凝聚研究發(fā)現(xiàn)，其離子特異性效應(yīng)是十分強(qiáng)烈的。然而，土壤是一個由各種納米-微米尺度的有機(jī)質(zhì)（腐殖質(zhì)）和礦物

3、質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜體系，因此有必要通過單一礦物和單一有機(jī)大分子-腐殖質(zhì)凝聚的動力學(xué)研究來揭示土壤膠體凝聚的離子特異性效應(yīng)的本質(zhì)。本研究采用腐殖酸和蒙脫石兩種材料分別研究幾種陽離子和陰離子的凝聚動力學(xué)，探索以離子的非靜電吸附為基礎(chǔ)的膠體凝聚的離子特異性效應(yīng)。因此，在腐殖質(zhì)膠體凝聚中，我們選用Cu2+和Zn2+兩種具有不同配位吸附能力的陽離子進(jìn)行研究；而蒙脫石膠體凝聚則選取不易發(fā)生靜電吸附的幾種陰離子進(jìn)行研究（因蒙脫石帶負(fù)電）。研究采用動態(tài)光散射

4、技術(shù)，通過測定膠體凝聚的凝聚速率、臨界凝聚濃度、凝聚活化能和凝聚體的分形維數(shù)等參數(shù)來反映凝聚過程中的動力學(xué)特征和凝聚體結(jié)構(gòu)特征，以此探索基于非靜電作用的離子特異性效應(yīng)的強(qiáng)度和機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
　　1. Cu2+和Zn2+這兩種陽離子引發(fā)胡敏酸凝聚的動力學(xué)特征存在很大差異，因而存在強(qiáng)烈的離子特異性效應(yīng)。在Cu2+引發(fā)的凝聚中，凝聚體凝聚速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Zn2+引發(fā)的凝聚速率。
　　2. Cu2+和 Zn2+這兩種陽離子引發(fā)胡敏酸凝

5、聚后所形成的凝聚體結(jié)構(gòu)特征具有十分明顯的差異，仍然表現(xiàn)出明顯的離子特異性效應(yīng)。Zn2+引發(fā)的凝聚所形成的凝聚體的分形維數(shù)明顯低于Cu2+引發(fā)的凝聚，表明Zn2+引發(fā)的凝聚形成更加疏松多孔和更加開放的結(jié)構(gòu)。
　　3. Cu2+和Zn2+的離子半徑和水合半徑都非常接近，因此在胡敏酸凝聚速率和凝聚體結(jié)構(gòu)的明顯差異不可能來自于離子半徑和水合半徑的差異。眾所周知，與Zn2+比較，Cu2+更易發(fā)生強(qiáng)烈的配位吸附，而Zn2+則比Cu2+更易發(fā)生

6、靜電吸附。由于配位吸附的吸附力遠(yuǎn)大于靜電吸附，所以Cu2+屏蔽胡敏酸顆粒周圍負(fù)電場的能力比Zn2+強(qiáng)，最終導(dǎo)致Cu2+存在下胡敏酸顆粒間的靜電排斥力更弱而更易發(fā)生凝聚，而且形成的凝聚體更加緊實而表現(xiàn)出更大的分形維數(shù)。
　　4.蒙脫石膠體的凝聚速率在三種不同的一價陰離子（H2PO4-、Cl-、NO3-）體系中的凝聚速率明顯不同，表明蒙脫石凝聚存在強(qiáng)烈的離子特異性效應(yīng)。
　　5.蒙脫石顆粒在凝聚過程中具有明顯不同的臨界聚沉濃度，