32光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用.DOC

光散射技术在土壤胶体颗粒相互作用研究中的应用( 贾明云 朱华铃 李航? (西南大学资源环境学院，重庆 400715 摘要：土壤中粒径0.001～1μm的“超微粒子”90°～135°，初始颗粒密度范围为1.90×10-3～0.119 g1.56±0.02。 关键词：土壤胶体；光散射；动力学；分形维数； 中图分类号： 文献标码： 目前的研究已经表明，土壤中粒径在0.001～1 μm的“超微粒子”是土壤具有肥力和生态功能的物质基础。土壤中的“超微粒子”不仅包括土壤矿物质，而且包括土壤中的腐殖质、蛋白质、酶和微生物（至少在一个方向上）[1,2]。这些超微粒子通常被称为土壤中的无机、有机和微生物胶体。土壤中各种有机、无机和微生物胶体的相互作用深刻地影响到土壤中绝大多微观过程和宏观现象的发生。比如，土壤中“有机/无机/微生物”相互作用可能控制了土壤有机离子、无机离子、有机胶体颗粒（腐殖质、蛋白质、微生物、病原体等）、无机胶体颗粒等物质传输的微观过程，而这些微观过程与疾病传播、农业面源污染和水体富营养化等宏观现象密切相关[3]。又比如，土壤中各种胶体颗粒的相互作用的速度和方式，可能控制了团粒结构的形成与稳定[]，进而在很大程度上决定了土壤肥力的高低、土壤抗侵蚀能力的强弱和有害物质的传播速率等宏观效应。经典的土壤学研究方法可以解决宏观尺度下（10-6m）土壤过程发生的表观效应；而近年来提出的新研究方法，如 隧道扫描电镜和同步辐射等方法，则提供了从电子、原子和分子（10-9m）尺度研究土壤过程发生的微观机制的方法。然而，尺度在10-910-6m之间的纳米或胶体颗粒的相互作用机制研究并未引起足够的重视。但是毫无疑问，开展这一尺度的相互作用的机制研究，对于解释土壤微观过程和宏观效应之间的联系可能是十分关键的。 尺度在10-910-6m之间的任何物质表现出特殊的界面性质，探索并开发这些特殊性质正是今天纳米科学与纳米技术研究的核心。然而，如果从物质“尺度效应”的角度来研究土壤“有机/无机/微生物”相互作用，已经被广泛接受的经典土壤学理论的许多知识将面临挑战。比如，从物质的“尺度效应”来看，土壤学中关于“有机/无机/微生物”复合体的形成机制的解释可能是错误的。对于尺度在10-910-6m之间的土壤有机、无机和微生物胶体之间，不可能仅仅依赖于分子力和高价离子的“桥键”作用而结合在一起。对该尺度范围内的这些物质，在所受的所有作用力中，长程分子引力、颗粒间静电斥力、系统的随机涨落力和介质的耗散力是最重要的，而且几乎是同等重要的。而该尺度大很多或小很多的物质，这四种力就成为次要的力或不是同等重要的力。显然，如果从这种尺度效应来研究土壤“有机/无机/微生物”相互作用方式，必定会给我们带来全新的信息。 胶体或纳米尺度的土壤有机、无机和微生物相互作用研究，目前没有得到足够重视的根本原因可能是研究手段的缺乏。但是，在其领域，如胶体化学、高分子材料和纳米科学等的研究中，光散射已经被广泛应用，并已经成为简单体系胶体和纳米颗粒相互作用机制研究的基本工具[-13]。Derrendinger也同时Derrendinger和Sposito还对光散射应用于黏土等多分散体系的条件进行了研究成功地用激光光散射技术研究了NaCl悬液中伊利石絮凝动力学及形成的聚合体形态结果表明，即使是多分散体系的分形凝聚过程也是可以通过激光光散射来测定的。然而，土壤胶体中即使是无机胶体部分，其复杂性也远远超过单纯的黏土矿物，因此对于土壤这样的复杂体系，光散射技术是否仍然可用？如果仍然可用，其应用条件如何？等问题需要进一步明确。因此本文将对此进行研究。 1. 1 实验材料和样品处理 实验所用土壤黄壤土样经风干后过60目筛，称取50 g土样加超纯水0.5 mol L-1的KOH在20 kHz下分散，转入5000 ml烧杯，用超纯水定容，搅匀后25 ℃恒温条件下采用静水沉降虹吸法提取＜0.2 μm的黄壤胶反复mol L-1的HNO3浓缩，弃去上清液。将其保存为氢质胶体。取出一部分氢质胶体用超纯水反复清洗至接近中性。用1.79×10-3 mol L-1 KOH标准液滴定，呈稳定状态火焰光度计测体系中K+浓度小于10-5 mol用烘干法测得颗粒密度为0.95g L-1。. 2 研究方法 动态/静态光散射实验采用美国Brookhaven 公司的BI-200SM广角度激光光散射仪，数字相关器为BI-9000AT，是一个完全数字化高速度的信号处理器，可用作动态光散射测定的自相关或互相关器，也可用于静态光散射测定的光子计数。激光器功率15 m，波长532 nm。动态光散射采用的是光子相关光谱技术，它测定的是由粒子的布朗运动引起的散射光强的起伏自相关函数C(τ)C(τ)代替散射光强度后，杂乱无章的散射光强度