可变电荷土壤与阴阳离子的相互作用及能量关系研究

论文摘要

本工作基于新近建立的悬液Wien效应方法,研究了阴阳离子与可变电荷土壤粘粒之间的相互作用和能量关系。研究内容包括阳离子(Na+、K+、NH4+、Ca2+、Zn2+、cd2+和La3+)与粘土矿物高岭石、三种可变电荷土壤（红壤、赤红壤和砖红壤）和去铁红壤及砖红壤间的Wien效应;阴离子(Cl-、NO3-、ClO4-、SO42-和PO43-与红壤及砖红壤间的Wien效应;并测算了阳离子与红壤粘粒的能量关系。主要研究结果如下:在测试pH条件下,砖红壤悬液中正电荷密度占到负电荷密度的40～80%,赤红壤悬液中为8.4～22%,红壤悬液为1.6～6.4%;在红壤悬液中可以忽略正电荷的影响。为不同氯化物饱和的三种可变电荷土壤粘粒悬液电场下Wien效应差异很大。各氯化物饱和红壤悬液的相对电导率（△Ec）随着场强的增加而明显增大,且不同的氯化物饱和悬液的△EC之间差异明显;砖红壤悬液的△EC随着场强的增加没有出现变化,在所测场强下(15 kV cm-1到250 kV cm-1)各悬液的△EC都几乎为1;而赤红壤悬液中的现象处于前两者之间。土壤铁铝氧化物组分对其悬液Wien效应影响明显。红壤粘粒在测试pH（5.6-7.1）下,根据公式计算的粘粒与阳离子Na+、K+、NH4+、Ca2+、Zn2+和Cd2+的平均结合自由能分别为4.50、7.35、7.15、9.12、9.84和9.63kJmol-1,与活度测量法算得的结果是基本一致的。不同悬液的动电测量结果表明,含二价阳离子悬液中粘粒的ζ电位十分接近（-44 mV左右）,而含单价阳离子悬液粘粒的ζ电位要负得多（-56～-70 mV）。在低场强下,不同阳离子的平均吸附自由能△Gad没有什么差异,在高场强(＞100 kV cm-1)下,二价阳离子的吸附能约为单价离子的2-3倍。在14 kV cm-1到200 kV cm-1的场强下,去除氧化铁后的红壤与砖红壤悬液的电导率增加量大于未去铁的红壤和砖红壤悬液的电导率增加量;去铁红壤和砖红壤悬液随场强的电导率增量随阳离子的变化顺序为:Na+＞Ca2+＞Cd2+＞La3+。氧化铁在阳离子与可变电荷土壤尤其是氧化铁含量较高的土壤粘粒上的结合能和吸附能的影响上作用明显,且含量越大影响越明显;比起红壤来,氧化铁对砖红壤与阳离子的结合能和吸附能影响更加明显。高岭石悬液中,各种阳离子饱和悬液Wien效应曲线与红壤悬液结果相似。由电导测量计算的平均结合自由能二价离子大于一价离子。一价离子与高岭石结合能大小顺序为Na+＜NH4+＜K+,与红壤悬液中的顺序相同。二价阳离子中的结合能pb2+的最大(3.44 kJ mol-1),而最小为Zn2+。不同悬液的动电测量结果与电导法测算的平均结合自由能是一致的。各种供试阳离子与高岭石的平均吸附自由能总体随场强的增加而增大,在高场强下,相同价态的阳离子在矿物上的吸附能很接近,但不同价态的阳离子间差异就很显著;二价阳离子的平均吸附自由能明显大于单价阳离子,其差值随场强的增大而增大,但三价阳离子La3+的平均吸附自由能却小于单价阳离子。不同钠盐饱和的红壤和砖红壤土壤粘粒在去离子水中的悬液电导率是很不一样的。酸饱和土壤悬液吸附的阴离子的种类和性质影响着悬液Wien效应。盐酸、硝酸和次氯酸饱和红壤悬液的初始电导率EC0比较接近,电导率随场强的增加而增大;硫酸和磷酸饱和的红壤悬液EC0大于一价酸饱和悬液EC0,但悬液在所测场强下变化却不明显。在负电荷占多数的红壤悬液中,其吸附的阳离子的种类和性质决定着悬液在电场下电导率的大小,阴离子的种类和性质对其电导影响较小;在正负电荷相当的砖红壤悬液中,其吸附的阴离子的种类和性质决定着悬液在电场下电导率的大小,阳离子的种类和性质对其电导率影响很小。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 可变电荷土壤的电荷性质与离子吸附
• 1.1.1 可变电荷土壤的电荷性质
• 1.1.1.1 可变电荷土壤带电表面
• 1.1.1.2 可变电荷土壤的表面电荷
• 1.1.1.3 可变电荷土壤的电荷零点
• 1.1.1.4 可变电荷土壤的动电性质
• 1.1.2 可变电荷土壤与离子的吸附特性
• 1.1.2.1 阳离子的吸附
• 1.1.2.2 阴离子的吸附
• 1.2 土壤悬液Wien效应及其应用
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 基于悬液Wien效应离子与土壤粘粒间的能量关系
• 1.2.2.1 平均结合自由能
• 1.2.2.2 平均吸附自由能
• 1.3 土壤粘粒与离子的能量关系研究进展
• 1.3.1 离子活度法
• 1.3.2 Wien效应法
• 1.4 研究目的及意义
• 第二章 实验装置与供试样品
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 装置结构
• 2.1.2 装置的工作原理
• 2.1.3 悬液Wien效应的测量
• 2.2 供试样品
• 2.2.1 供试样品的基本性质
• 2.2.2 土壤胶体的提取与纯化
• 2.2.3 供试土壤胶体的电荷密度与pH关系的测定
• 2.2.4 离子饱和粘粒的制备
• 2.2.5 供试悬液的制备
• 第三章 可变电荷土壤粘粒及高岭石与阳离子的相互作用
• 3.1 三种可变电荷土壤粘粒与阳离子的相互作用
• 3.1.1 三种可变电荷土壤粘粒表面电荷
• 3.1.2 悬液电导率与电场强度的关系
• 3.1.3 悬液相对电导率与电场强度的关系
• 3.1.4 不同阳离子与红壤粘粒间的平均结合自由能
• 3.1.5 不同阳离子与红壤粘粒间的平均吸附自由能（谱）
• 3.1.6 小结
• 3.2 去铁红壤和砖红壤粘粒与阳离子的相互作用
• 3.2.1 去铁红壤与砖红壤悬液电导率随场强的变化
• 3.2.2 平均结合自由能的变化
• 3.2.3 平均吸附自由能（谱）的变化
• 3.2.4 小结
• 3.3 高岭石与阳离子的相互作用和能量关系
• 3.3.1 高岭石粘粒的表面电荷
• 3.3.2 悬液电导率与电场强度的关系
• 3.3.3 阳离子与高岭石粘粒间的平均结合自由能
• 3.3.4 阳离子与高岭石粘粒间的平均吸附自由能（谱）
• 3.3.5 小结
• 第四章 可变电荷土壤粘粒与阴离子的相互作用
• 4.1 悬液电导率与电场强度的关系
• 4.2 悬液相对电导率与电场强度的关系
• 4.3 小结
• 参考文献
• 附录
• Ⅰ 致谢
• Ⅱ 攻读学位期间发表的论文目录
• 学术论文:
• 会议论文:
• Ⅲ 个人简介
• 教育背景
• 获得荣誉