土壤胶体的双电层结构及其影响因素

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本工作是基于新近建立的悬液Wien效应方法完成的。本文介绍了用悬液Wien效应方法研究离子在土壤胶粒双电层中分布的原理和方法。研究内容主要包括阳离子(Na+、K+、Ca2+、Cd2、Cu2、Pb2+和La3+)饱和的恒电荷土壤(黄棕壤和黑土)和可变电荷土壤(红壤和砖红壤)悬液在低场强(4-16kV cm-1)下的Wien效应;阴离子(F-、Cl-和N03-)饱和的铁铝氧化物(赤铁矿和γ-氧化铝)悬液的Wien效应;并测算了各种离子在不同胶粒双电层中的分布。主要研究结果如下:在外加直流电场下,当胶体表面电导率大于溶液电导率时,胶粒极化所产生的偶极矩与外加电场方向相同,呈现正Wien效应,在悬液的EC-E曲线上表现出上升段;反之则呈现负Wien效应,在EC-E曲线上出现下降段。这与胶粒反号离子在胶体双电层中的结合状态及分布是紧密相关的。在阳离子饱和的恒电荷土壤胶粒悬液中,试验条件下,Na+饱和土壤胶粒的表面电导率最大,黄棕壤和黑土分别为0.494和0.617mScm-1;而使表面电导率最小的阳离子是不一样的,黄棕壤为Cu2+(0.0261mScm-1),黑土则为Cd2+(0.0484mScm-1).黄棕壤和黑土胶粒的表面电导率随阳离子的变化顺序分别为Na+>K+>Cd2+>Pb2+>Ca2+>La3+>Cu2+和Na+>K+>Pb2+>La3+>Cu2+>Ca2+>Cd2+。除Na+外,几乎所有阳离子在黄棕壤胶粒扩散层中的比率(ECs/ECad)明显小于黑土,只有Cd2+是一个例外,Cd2+在黄棕壤和黑土胶粒扩散层中的比率分别为0.174和0.0872。黄棕壤和黑土胶粒的ζ电位随阳离子价型的变化顺序,除了钙饱和黑土外,与上述土壤胶粒表面电导率随阳离子的变化顺序完全一致。对阳离子饱和的可变电荷土壤胶粒,试验条件下,使土壤悬液电导率最大的阳离子都为三价离子La3+,但使悬液电导率最小的阳离子是不一样的,红壤为Cu2+(0.0121mS cm-1),砖红壤为Pb2+(0.0174mS cm-1).对于红壤,悬液初始电导率ECo随阳离子的变化顺序为La>Na>K>Ca>Pb>Cd>Cu,即三价离子>一价离子>二价离子;而对于砖红壤EC0随阳离子的变化顺序为La>Ca>Na>K>Cu>Cd>Pb,即除了Ca2+外,也满足三价离子>一价离子>二价离子的顺序。在红壤和砖红壤胶粒扩散层中占据比率最小的离子分别是Ca2+(0.104mS cm-1)和和Cd2+(0.104mS cm-1).除了Ca2+外,吸附性离子在红壤胶粒Stern层中的比率要小于砖红壤者。对阴离子饱和的铁铝氧化物胶体悬液,随着场强增加,悬液的Wien效应曲线出现不同的凹段,即呈现负Wien效应。试验条件下,N03饱和的赤铁矿和F-饱和的γ-氧化铝胶粒的表面电导率最大,分别为0.532mScm-1和和0.663mScm-1;而使表面电导率最小的阴离子都为Cl-,表面电导率分别为0.045mScm-1和0.434mScm-1。赤铁矿和Y-氧化铝表面电导率随阴离子的变化顺序分别为N03->F>C1-和F->N03->C1-,阴离子饱和的铁铝氧化物悬液的ζ电位随阴离子的改变的变化顺序与该序列是一致的。通过离子强度对2种可变电荷土壤中磷酸根和铬酸根吸附的研究表明,含氧酸根在可变电荷土壤中的吸附-pH曲线在不同离子强度下相交于一点,当介质pH高于交点时,土壤对磷和铬的吸附量随离子强度增加而增加,当介质pH低于交点时,变化趋势相反。文章借助四层模型探讨了该吸附机制,离子强度主要通过改变土壤胶体表面离子专性吸附面上的静电电位影响吸附。土壤胶体zeta电位随离子强度变化而变化的数据为此提供了证据。
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