土壤膠體顆粒相互作用的光散射研究.pdf

1、土壤中的無機、有機和微生物膠體，是土壤中最活躍的部分，也是土壤具有肥力和生態(tài)功能的物質基礎。其大小主要集中于幾十到幾百個納米的介觀尺度范圍內(nèi)，具有特殊的界面尺度效應。土壤中各種有機、無機和微生物膠體的相互作用深刻地影響到土壤中絕大多數(shù)微觀過程和宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。然而由于測試手段的限制，目前對介觀尺度土壤膠體顆粒之間相互作用的微觀效應研究還未引起足夠的重視。本文從散射角和懸液顆粒密度兩個方面討論了光散射技術在多組分、多分散性土壤膠體研究中的

2、應用條件，探討了不同pH和電解質類型與濃度下土壤中無機膠體和有機膠體的凝聚動力學機制及形成的凝聚體結構特征，初步得出以下結論：
　　 (1)光散射技術仍然可以應用于多組分、多分散性的土壤膠體顆粒的粒徑分布、土壤膠體顆粒的凝聚動力學和凝聚體結構特征的研究中。本研究提出的最佳測定條件為：膠體懸液的單體顆粒密度為1.90-119 mg L-1，而可準確測定土壤膠體顆粒凝聚動力學的動態(tài)光散射角度范圍為90°-135°，而以90°為最好。

3、在自相關函數(shù)曲線能夠平滑地衰減至基線且散射光強保持不變的條件下，動態(tài)光散射能夠準確給出土壤膠體凝聚過程中顆粒(凝聚體)的有效直徑及其分布的變化。通過靜態(tài)光散射技術連續(xù)測定不同散射角下顆粒(凝聚體)的散射光強，可以得到凝聚體的散射指數(shù)隨凝聚時間的變化曲線，進而可確定凝聚體的分形維數(shù)。
　　 (2)黃壤和腐殖質膠體顆粒的穩(wěn)定性受pH的影響很大。黃壤膠體懸液pH＜6.65時，膠體顆粒因質子的中和作用發(fā)生快速凝聚；pH＞12時，則在K+

4、的作用下因雙電層壓縮而發(fā)生凝聚。而腐殖質膠體懸液只有在體系pH≤2.0時，由于電荷中和作用發(fā)生等電點附近凝聚。黃壤膠體懸液在pH6.65-12，腐殖質膠體懸液在pH2.0以上時處于動力學相對穩(wěn)定狀態(tài)。本實驗提取出的黃壤和腐殖質膠體顆粒的有效直徑大小均為175±10 nm，集中分布于100-300 nm。
　　 (3)pH8.0的黃壤和不同pH的腐殖質膠體懸液在電解質作用下的凝聚動力學具有相似的特征，即凝聚過程都包含了RLCA慢速

5、凝聚和DLCA快速凝聚機制。在RLCA機制下，隨電解質濃度的增加，土壤膠體顆粒的生長曲線由線性逐漸轉變?yōu)閮绾瘮?shù)增長，但未出現(xiàn)普適性的指數(shù)增長規(guī)律；而在DLCA機制下，顆粒的生長均呈冪函數(shù)規(guī)律，且不同電解質濃度下其顆粒(凝聚體)的生長曲線幾乎重合在一起。
　　 土壤膠體顆粒的平均凝聚速率隨電解質濃度的變化曲線可分為兩段，即低電解質濃度下呈線性增大，高電解質濃度下在一常數(shù)附近波動。這兩段之間有一個明顯的轉折點，可以用來準確判定膠體的

6、臨界聚沉濃度和凝聚動力學機制。在本實驗條件下，pH8.0的黃壤體系中KCl作用下黃壤膠體的臨界聚沉濃度(CFC)為25.4 mmol L-1，而CaCl2作用下的臨界聚沉濃度(CFC)為1.4 mmol L-1，K+作用下黃壤膠體的臨界聚沉濃度約為Ca2+作用下的20倍。CaCl2作用下不同pH的腐殖質膠體的CFC值分別為：pH3.0，CFC14.4 mmol L-1；pH5.0，CFC44.0mmol L-1；pH6.5，CFC45.

7、9 mmol L-1；pH8.0，CFC52.7 mmol L-1。隨體系pH值的升高，腐殖質膠體的臨界聚沉濃度不斷增大。而KCl作用下pH3.0的腐殖質膠體的CFC為427.6mmol L-1，約為Ca2+的30倍，與黃壤膠體體系有顯著差異，表明膠體顆粒的表面電化學性質不同，二價離子與一價離子對膠體的聚沉能力將有所不同。
　　 (4)DLCA機制下，pH8.0的黃壤膠體凝聚體的分形維數(shù)為1.44±0.02；不同pH的腐殖質膠體