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土粒表面电位测定的平衡吸附法研究

侯捷  
【摘要】: 土粒表面电位是土壤界面电化学性质中的一个重要的参数。直到目前,人们还没有找到一个公认的、可靠的方法来测定该参数值。目前已经采用的固体颗粒表面电位的测定方法主要有Zeta电位法、表面电荷密度法及负吸附法。 传统理论认为剪切面与斯特恩层十分临近,因此常用剪切面处的电位—Zeta电位来代替表面电位。但许多学者发现低浓度条件下剪切面实际远离斯特思层并逐渐意识到不能用Zeta电位来代替表面电位。表面电荷密度法的计算基础是Gouy-Chapman方程,虽然理论上可行,但在实际应用中却不能用来得到可变电荷土壤的表面电位:且Gouy-Chapman方程中需要测定电荷总量和比表面积的数值,但各种表面电荷总量和比表面积测定的方法和条件完全不同,所以把这两个数据拿入到同一个公式中去计算表面电荷密度和表面电位也是不合理的。Zhang,Sparks and Scrivner曾提出了一个通过胶体颗粒对同号离子负吸附的测定来测定表面电位的方法,并将该方法所得结果与同体系的Zeta电位进行了比较。他们的实验结果再次表明,低浓度条件下用Zeta电位来代表表面电位的合理性值得进一步考究。然而该测定方法的最大弱点是:由于胶体的负吸附量与表面电位值之间的关系为一指数关系,所以负吸附测定数据的微小误差将会对表面电位的测定结果带来很大的差异,且负吸附量很小,实验相对误差很大。 本文依据李航等人曾建立的土壤颗粒表面电位与双电层中离子的平均浓度的数学关系,将表面电位的测定问题转变成了对一定本体溶液浓度条件下的双电层中离子的平均浓度的问题。由于该关系式本身不受双电层理论之外的其它条件的限制,所以由此建立起来的测定方法适用于任何电性体系的表面电位的测定。 为验证平衡吸附法的可行性,我们以蒙脱石为材料,用平衡吸附法原理计算其表面电位本文采用Phllip F.Low1980年关于蒙托石比表面积、阳离子交换量、Zeta电位的实验数据,将其带入李航等人建立的数学公式,得到一组与Zeta电位相差悬殊的表面电位值,采用了两种方法进行验证。首先,根据蒙托石是恒电荷表面的特点利用基于Gouy-Chapmann理论得到的“表面电荷密度-表面电位”关系式得到一组理论表面电位值,发现其与我们的所得值十分相近;其次,Phllip F.Low1981年通过实验得到一组颗粒间的距离与膨胀压之间的关系曲线,我们将Zeta电位代替的表面电位和平衡法获得的表面电位代入相关数学公式,得到两条颗粒间的距离与膨胀压之间的关系曲线,发现基于前者得到的曲线与实验曲线相差悬殊,而基于后者得到的曲线却与实验曲线十分吻合。以上结果均有力地证明,采用本文所提出的方法可以得到可靠的表面电位的测定数据,且Zeta电位的确不能作为表面电位的近似值。 采取平衡法测定了紫色土和砖红壤的表面电位值,并在此基础上研究了两种土壤表面电荷性质随外部环境(电解质浓度、电解质类型、环境温度)改变而变化的特点。结果表明,(1)1:1型电解质中紫色土的表面电位在-230~-280mV之间;2:1型电解质中紫色土的表面电位在-120~-160mV之间,与恒流置换法所得数据有一定差距,但结果均大于粘土颗粒Zeta电位绝对值几十毫伏的范围。且2:1型电解质中的表面电位约为1:1型电解质中的表面电位的50%。砖红壤在1:1型电解质体系和2:1型电解质体系中的表面电位范围分别是-170~-210mV,-90~-110mV,与杨兴伦等人用恒流法所得的范围相同。(2)两种土壤双电层中的离子总量随着电解质浓度的增大而增大,砖红壤增加幅度大于紫色土;温度升高,双电层离子总量递减,砖红壤表现突出,尤其是温度由288K升高到298K,减少量尤为明显。紫色土和砖红壤的表面电位绝对值都随浓度的升高而降低;紫色土表面电位随温度的升高而降低,但砖红壤的表面电位绝对值随温度的升高先降低后升高,这主要是因为砖红壤是可变电荷土壤,温度由288K升高到298K,双电层离子总量大幅度减少,使双电层电荷总量减少带来的表面电位绝对值降低的趋势成为主导因素;当温度在298K-308K之间变化时,双电层电荷总量减小幅度微弱,此时双电层扩展带来的表面电位绝对值升高的趋势成为主要因素。


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