動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定土壤膠體Hamaker常數(shù)的研究.pdf

1、土壤中的礦質(zhì)膠體，有機(jī)膠體和有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體，大小均集中在幾十到幾千個(gè)納米的介觀尺度范圍內(nèi)。它們是土壤具有肥力和生態(tài)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤膠體顆粒間的相互作用深刻地影響著土壤中絕大多數(shù)微觀過程和宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。土壤膠體顆粒間的相互作用遵循帶電膠體顆粒表面的雙電層理論和 DLVO理論，根據(jù) DLVO理論，帶電膠體顆粒相互作用是范德華引力和靜電斥力共同作用的結(jié)果。范德華引力是膠體顆粒相互作用中的重要支配力，因此研究范德華引力在土壤膠體顆粒相互

2、作用中的強(qiáng)度與方式有利于深入了解土壤顆粒凝聚與分散的機(jī)制。范德華引力Pvdw(λ)（atm）可以通過下式計(jì)算，(此處公式省略)
　　其中Aef(J)為有效Hamaker常數(shù)，λ為顆粒間距離。Hamaker常數(shù)是表征范德華引力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此，只要知道了 Hamaker常數(shù)，范德華引力強(qiáng)度就可以進(jìn)行理論計(jì)算。所以，在研究土壤顆粒相互作用中，土壤顆粒的Hamaker常數(shù)將是一個(gè)重要的參數(shù)。然而對(duì)于土壤膠體的Hamaker常數(shù)的還沒

3、有有效的測(cè)定方法和技術(shù)，也沒有相關(guān)研究對(duì)土壤膠體的Hamaker常數(shù)進(jìn)行過測(cè)定。因此有必要對(duì)土壤膠體的Hamaker常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。
　　光散射技術(shù)已經(jīng)在高分子材料、膠體化學(xué)和納米材料等研究中被廣泛應(yīng)用，是研究納米材料和膠體顆粒相互作用機(jī)制的重要工具。賈明云等已經(jīng)將光散射技術(shù)成功的引入到復(fù)雜的自然土壤膠體凝聚研究的實(shí)驗(yàn)中，并且通過監(jiān)測(cè)凝聚體的平均有效水力直徑隨時(shí)間的變化過程成功的反應(yīng)出土壤膠體凝聚體的動(dòng)力學(xué)過程。基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)在

4、土壤膠體相互作用的成熟應(yīng)用，本研究首先將在已有的動(dòng)態(tài)光散射研究土壤膠體凝聚過程的方法基礎(chǔ)之上，建立動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定土壤膠體 Hamaker常數(shù)的新理論和新方法。基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定土壤膠體Hamaker常數(shù)的新方法，測(cè)定單一礦物質(zhì)蒙脫石膠體（模型體系）的Hamaker常數(shù)。然后以恒電荷為主的紫色土膠體和以可變電荷為主的黃壤膠體作為研究材料，測(cè)定這兩種復(fù)雜土壤膠體的Hamaker常數(shù)。并分析三種土壤膠體的范德華引力強(qiáng)度，進(jìn)一步深入研究

5、土壤顆粒凝聚與分散的機(jī)制。主要結(jié)論如下：
　　1.本研究初步建立了動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定土壤膠體 Hamaker常數(shù)的新理論和新方法。
　　2.利用該方法測(cè)得以2:1型粘土礦物蒙脫石膠體的Hamaker常數(shù)為6.5×10-20J；以恒電荷為主的紫色土膠體的Hamaker常數(shù)為7.5×10-20J；以可變電荷為主的黃壤膠體的Hamaker常數(shù)為5.3×10-19J。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，大部分材料的Hamaker常數(shù)值處于10-19

6、～10-20J，本研究測(cè)得的三種土壤膠體的Hamaker值符合理論值（數(shù)量級(jí)為10-19～10-20J），表明所測(cè)得的土壤膠體的有效 Hamaker常數(shù)是合理的。由于土壤物質(zhì)組成非常復(fù)雜，所以采用此法測(cè)定的土壤 Hamaker常數(shù)是土壤各種物質(zhì)的Hamaker常數(shù)的表觀平均值。
　　3.測(cè)得黃壤膠體的Hamaker常數(shù)＞紫色土膠體的Hamaker常數(shù)＞蒙脫石膠體的Hamaker常數(shù)。黃壤膠體的Hamaker常數(shù)是紫色土膠體的Ham

7、aker常數(shù)7.1倍，是蒙脫石膠體的Hamaker常數(shù)的8.2倍。黃壤膠體的Hamaker常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紫色土膠體和蒙脫石膠體?；?Hamaker常數(shù)的測(cè)定，從而得出，在膠體顆粒距離一定的時(shí)候，黃壤膠體顆粒間的范德華引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紫色土和蒙脫石膠體顆粒間的范德華吸引力。
　　4.動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)不僅可以測(cè)定單一礦物質(zhì)土壤膠體的Hamaker常數(shù)，該方法同樣適用于其他多分散體系膠體的Hamaker常數(shù)的測(cè)定，可以測(cè)定多分散土壤膠體的Ha

8、maker常數(shù)。
　　5.研究表明在Li+體系中蒙脫石膠體的臨界聚沉濃度值（CCC）為42.5mmol/L，紫色土膠體的臨界聚沉濃度值（CCC）為332.1mmol/L，黃壤膠體的臨界聚沉濃度值（CCC）為7.4mmol/L。在Li+電解質(zhì)作用下，黃壤膠體(CCC)＜蒙脫石膠體(CCC)＜紫色土膠體＜（CCC）。電解質(zhì)LiCl對(duì)黃壤的膠體的聚沉能力＞對(duì)蒙脫石膠體的聚沉能力＞對(duì)紫色土膠體的聚沉能力。黃壤膠體和紫色土膠體的Li+的臨界

9、聚沉濃度值（CCC）差異之大，造成這種差異是由于黃壤膠體的Hamaker常數(shù)大，顆粒間的范德華引力大，位能高度越小，更容易聚沉。黃壤膠體較紫色土膠體和蒙脫石膠體的分散穩(wěn)定性更差，當(dāng)體系中只要加入低濃度的電解質(zhì)即可降低靜電斥力，勢(shì)壘變小，黃壤膠體發(fā)生快速聚沉。而在同樣的電解質(zhì)濃度下，紫色土膠體的范德華吸引力較黃壤膠體小，靜電斥力占優(yōu)勢(shì)，總位能大，膠體不發(fā)生凝聚。
　　6.紫色土膠體較黃壤膠體懸液更穩(wěn)定。造成這兩種土壤膠體懸液的穩(wěn)定性