表面活性劑在土壤中的吸附行為及其對(duì)土壤物理特性的影響.pdf

1、表面活性劑(Surfactants or Surface Active Agents)由于具有顯著降低界面張力、增溶增流等特性而被廣泛應(yīng)用。這些表面活性劑可能會(huì)經(jīng)過各種途徑最終進(jìn)入土壤環(huán)境，并通過與土壤組分的相互作用而對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤中溶質(zhì)(包括污染物)的遷移以及地下水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。本論文選用3種表面活性劑(陰離子型SDBS；陽離子型CTAB；非離子型．A12E9)和4種土壤(水稻土SH-P溫室土SH-G；蔬菜土SH-V；果園土

2、JX-O)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了表面活性劑在土壤環(huán)境中的吸附行為及對(duì)粘土溶液穩(wěn)定性、土壤持水特性、土壤導(dǎo)水特性以及有機(jī)污染物(硝基苯)在土壤中遷移的影響，以期較為系統(tǒng)地闡明表面活性劑與土壤的相互作用機(jī)理及對(duì)土壤物理特性的影響規(guī)律，為保護(hù)土壤環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。目前國內(nèi)外關(guān)于混合表面活性劑在土壤環(huán)境中的行為研究甚少，而實(shí)際土壤環(huán)境中存在的通常是各類表面活性劑的混合物，因此，本論文側(cè)重研究了混合表面活性劑在土壤環(huán)境中的吸附行為及對(duì)土壤物理特性的影

3、響。 1)表面活性劑在土壤中的吸附行為表明：其吸附可分為在土壤粒子上形成表面半膠束(單層吸附)和表面膠束(雙層吸附)兩個(gè)階段。3種表面活性劑首先分別通過靜電引力(CTAB)、氫鍵(A12E9)、疏水和靜電作用(SDBS)在土壤粒子上形成表面半膠束。隨著表面活性劑濃度的增加，3種表面活性劑均可通過疏水相互作用在土壤粒子上形成親水性表面膠束。3種表面活性劑在吸附機(jī)理上的差別源于其帶電及兩親基團(tuán)的不同，從而也直接影響了隨后混合表面

4、劑的吸附。 2)不同土壤對(duì)表面活性劑吸附量的差異主要?dú)w因于土壤粘土礦物、陽離子交換容量、電解質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量和氧化物組成的不同。CTAB在土壤中的飽和吸附量與土壤的陽離子交換容量呈線性關(guān)系，A<,12>E<,9>在土壤中的飽和吸附量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈線性關(guān)系。3種表面活性劑在4種土壤中的飽和吸附量順序分別為：SDBS，JX-O>SH-G>SH-V>SH-P；CrAB，SH-G>SH-V>SH-P>JX-O；A<,12>E<,9>

5、，SH-G>SH-V>Jx-O>SH-P。表面活性劑在不同粘粒上的吸附量差異主要?dú)w因于粘粒礦物組成，帶電量及比表面積的不同。當(dāng)溶液為酸性時(shí)，土壤粒子表面負(fù)電荷減少，導(dǎo)致SDBS吸附量增加，CTAB吸附量減少；當(dāng)溶液為堿性時(shí)，SDBS吸附量減少，CTAB吸附量增加；A<,12>E<,9>在中性環(huán)境下吸附量最高。電解質(zhì)可壓縮土壤粒子表面擴(kuò)散雙電層，增加SDBS的吸附，但降低CTAB的吸附，而對(duì)A<,12>E<,9>吸附基本無影響。鈣離子飽和

6、土壤后，由于鈣橋的作用，導(dǎo)致SDBS的吸附量增加。 3)添加順序?qū)旌媳砻婊钚詣┪降挠绊懡Y(jié)果表明，當(dāng)A<,12>E<,9>先于SDBS加入土壤時(shí)，A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成表面膠束，此時(shí)由于A<,12>E<,9>聚氧乙烯鏈的空間阻礙作用，抑制了后加入的SDBS在土壤粒子上形成表面半膠束和膠束，導(dǎo)致SDBS的飽和吸附量降低；當(dāng)SDBS先于A12E9加入土壤時(shí)，在土壤粒子上先吸附的SDBS為A<,12>E<,9>提供

7、了吸附位點(diǎn)，促進(jìn)了SDBS和A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成混合表面膠束，導(dǎo)致A<,12>E<,9>飽和吸附量增加；當(dāng)2種表面活性劑同時(shí)加入土壤時(shí)，A<,12>E<,9>可優(yōu)先在土壤粒子上形成表面膠束。A<,12>E<,9>進(jìn)入土壤中可導(dǎo)致SDBS飽和吸附量的降低；而SDBS進(jìn)入土壤中將促進(jìn)A<,12>E<,9>的吸附。添加順序引起的2種表面活性劑吸附量的差異歸因于兩者對(duì)土壤粒子表面親和力、表面活性以及吸附機(jī)理的不同。

8、4)混合比和環(huán)境條件對(duì)混合表面活性劑吸附的影響結(jié)果表明，SDBS和A<,12>E<,9>進(jìn)入土壤后，可通過疏水相互作用在土壤粒子上形成表面混合膠束，導(dǎo)致SDBS和A<,l2>E<,9> 對(duì)土壤粒子表面的親和力均增強(qiáng)。隨著A<,12E9混合比的增加，A12E9聚氧乙烯鏈的空間阻礙作用導(dǎo)致SDBS飽和吸附量的下降。A<,12>E<,9>的飽和吸附量隨其混合比的增加而增加。隨著溶液pH值的增加，土壤粒子表面負(fù)電荷減少，有利于SDBS在粒子上形

9、成表面膠束，導(dǎo)致SDBS和A<,12>E<,9>飽和吸附量均增加。平衡溶液中電解質(zhì)濃度的降低可增加土壤粒子表面的絕對(duì)Zeta電位，因而抑制SDBS在粒子上形成混合表面膠束，進(jìn)而降低了SDBS和A<,12>E<,9>的飽和吸附量。 5)單一表面活性劑對(duì)粘粒溶液的穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)表面活性劑在粘粒上形成表面疏水性半膠束時(shí)，吸附在不同粘粒上的表面活性劑可通過疏水作用相互交叉重疊而形成粒間表面膠束，從而降低粘粒溶液的穩(wěn)定性；

10、隨著溶液中表面活性劑濃度的增加，表面活性劑可在粘粒上進(jìn)一步吸附，使得粒間表面膠束過渡為粒內(nèi)表面膠束，粒子之間排斥力的增加導(dǎo)致粘粒溶液的穩(wěn)定性上升；由于CrAB在粘粒上具有較高的吸附量，因而對(duì)粘粒溶液的穩(wěn)定性影響最大。當(dāng)表面活性劑濃度高于其CMC時(shí)，離子型表面活性劑離解出的無機(jī)離子對(duì)粘粒表面雙電層的壓縮作用增強(qiáng)，導(dǎo)致粘粒溶液的穩(wěn)定性略微下降；非離子表面活性劑由于其在溶液中較強(qiáng)的水化作用，導(dǎo)致粘粒溶液的穩(wěn)定性隨其濃度的增加而趨于上升。對(duì)于帶

11、有可變電荷的JX-O粘土，當(dāng)溶液pH值較低時(shí)，SDBS吸附量的增加使得粘粒間相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致SDBS對(duì)粘粒溶液的穩(wěn)定性影響增加；而CrAB由于在較低的pH時(shí)吸附受到抑制，因而其對(duì)粘粒溶液的穩(wěn)定性影響降低。 6)對(duì)于CrAB和A<,12>E<,9>的混合溶液，當(dāng)其混合濃度較高時(shí)，CrAB可通過靜電引力強(qiáng)烈吸附在粘粒上形成疏水性表面半膠束，而A<,12>E<,9>通過疏水相互作用與被吸附的CrAB形成親水性混合表面膠束，由于吸附

12、在外層的A<,12>E<,9>聚氧乙烯鏈可強(qiáng)烈水化，使得粘粒溶液穩(wěn)定性增加。對(duì)于SDBS和A<,12>E<,9>的混合溶液，由于兩者在粘粒上形成的混合表面膠束密度較低，因而粘粒溶液的穩(wěn)定性受SDBS和A<,12>E<,9>的混合物影響較小。 7)單一和混合表面活性劑對(duì)土壤持水特性的影響結(jié)果表明：對(duì)于單一體系，SDBS和A<,12>E<,9>均可降低土壤的持水量，這歸因于SDBS或A<,12>E<,9>在土壤粒子上形成表面膠束后

13、降低了土壤粒子的界面張力。當(dāng)SDBS和A<,12>E<,9>的濃度分別低于其CMC時(shí)，土壤持水量分別隨其濃度的增加而降低；在SDBS和A<,12>E<,9>各自的CMC點(diǎn)，2種表面活性劑對(duì)土壤的持水量降至最低。對(duì)于混合體系，當(dāng)SDBS和A<,12>E<,9>的混合濃度低于其混合CMC時(shí)，土壤持水量隨A12E9混合比的增加而降低；當(dāng)混合濃度高于混合CMC時(shí)，與在混合CMC點(diǎn)相比，土壤持水量隨A<,12>E<,9>混合比的增加而增加。3種數(shù)

14、學(xué)模型的模擬結(jié)果表明，當(dāng)表面活性劑濃度低于其CMC時(shí)，K模型和s模型可較好地模擬單一或混合表面活性劑存在下的土壤持水量；當(dāng)表面活性劑濃度為1-5倍CMC時(shí)，K模型仍可較好地模擬單一表面活性劑存在下的土壤持水量?？傊?，在模擬精度方面,K模型>S模型>G模型。 8)表面活性劑對(duì)土壤(非)飽和導(dǎo)水特性的影響結(jié)果表明：對(duì)于擾動(dòng)土，當(dāng)CTAB濃度較低時(shí)，其在土壤粒子上強(qiáng)烈吸附形成了疏水性表面半膠束，此時(shí)粒間疏水相互作用使得土壤粒子較易凝

15、聚在一起，從而增加了土壤有效孔隙率，最終導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率的增加；當(dāng)CTAB濃度較高時(shí)，CrAB在土壤粒子上形成親水性表面膠束，粒間靜電排斥作用可分散凝聚在一起的土壤粒子，降低了土壤的有效孔隙率，導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率的下降；隨著SDBS或A<,12>E<,9>濃度的增加，土壤的飽和導(dǎo)水率趨于降低。含SDBS或A<,12>E<,9>的擾動(dòng)土可通過對(duì)照液淋洗使其飽和導(dǎo)水率恢復(fù)到起始值,而含CTAB的擾動(dòng)土的飽和導(dǎo)水率難以恢復(fù)。對(duì)于原狀土，其飽

16、和導(dǎo)水率均隨3種表面活性劑濃度增加而降低。對(duì)照液淋洗無法使原狀土飽和導(dǎo)水率恢復(fù)到起始值。擾動(dòng)土的非飽和導(dǎo)水特性研究表明，當(dāng)含有表面活性劑的土壤與不含表面活性劑的土壤分別填裝在平行放置的有機(jī)玻璃柱兩端時(shí)，水分從前者移向后者。表面活性劑的表面活性越強(qiáng)，土壤水遷移量越大。 9)表面活性劑對(duì)土壤中硝基苯的洗脫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)使用5倍CMC的表面活性劑溶液淋洗含硝基苯的土壤時(shí)，由于溶液中表面活性劑膠束對(duì)硝基苯的增溶作用,導(dǎo)致土壤中硝基苯