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土壤中无机纳米微粒的研究

王明辉  
【摘要】:本文首次将“纳米”的概念引入土壤学的研究中,采用物理分散法和化学分散法成功地从土壤中提取出了无机纳米粒子。探讨了影响土壤无机纳米粒子存在的各种因素及其形态特征和性质,并采用透射电镜、原子力显微镜、等离子质谱发射仪和红外光谱等分析测试手段对土壤中无机纳米微粒的形成、转化、理化性质、化学组成及自组装行为和特性进行了详细研究。结果表明: 经过不同方法处理的土壤样品其纳米粒子的提取量有所不同,干湿交替和冻融交替作用对土壤无机纳米微粒的提取有促进作用,通过红外光谱分析,随着交替作用的增加,纳米粒子的组成也有所变化;延长振荡和超声波处理的时间或增加处理的强度都有利于增加纳米粒子的提取量;加入化学分散剂(尤其是碱性的一价阳离子分散剂)也有利于增加纳米粒子的提取量,但是此方法使溶液的pH升高,要通过透析或电渗析的方法去除纳米溶液中大量的无机离子,使其溶液恢复中性。在电渗析的过程中发现:土壤纳米粒子带负电。并且电场强度稍大时,纳米溶液会发生少量分层凝聚,此时的凝聚是可逆的,电场消失纳米溶液又恢复均一的溶胶状态;而电场强度过大时,纳米粒子会在阳极凝聚析出,此时的凝聚是不可逆的,电场消失则无法恢复溶胶状态。 通过透射电镜观察发现:土壤中无机纳米粒子的形态主要有圆球状、片状、柱状、锥状、核状,并且不同形态的纳米粒子在由溶胶向非溶胶状态转化时呈线性凝聚,这种线性凝聚是土壤具有可塑性的机制所在,进而从纳米微粒自组装的角度对土壤具有可塑性的原因作了新的解释。 通过等离子质谱发射仪和红外光谱等测试手段对土壤中纳米微粒的元素组成进行研究发现,从黑土、黑钙土和白浆土中提取的纳米粒子的元素组成和结构非常相似,主要元素构成仍然是土壤的骨干元素硅、铝、铁,这主要是由于供试三种土壤的母质皆为黄土状沉积物,表明土壤中无机纳米粒子的组成与形成土壤的母质直接相关。 通过原子力显微镜观察发现腐殖酸和土壤纳米微粒很难形成有机-无机有序组装体,但可形成大量的无序自组装复合体,其是土壤团聚体的核心成分,组装团聚才是土壤团聚体形成的真正机制。土壤无机纳米微粒在矿物表面和气液界面能发生自组装成膜作用,土壤无机纳米微粒在矿物表面的自组装行为与矿物表面的特性有关,在活化矿物表面容易发生自组装反应,而非活化矿物表面则不容易发生反应;活化矿物表面的自组装与气液界面的组装作用非常相似。 有机残体腐解生成的水溶性小分子有机化合物主要有糖类、氨基酸和有机酸,我们选择了相应的一部分小分子有机化合物,对它们与土壤无机纳米微粒间的作用进行了研 吉林农业大学硕士学位论文 土壤中无机纳米微粒的研究 究。结果表明,土壤无机纳米微拉与土壤中的可溶性小分子有机化合物间作用强烈,但 不同的有机物与土壤无机纳米微拉的作用不同。不同有机物与土壤无机纳米微拉的作用 差异如下:①无机纳米微拉可与一些小分子有机化合物生成有机无机复合组装体,形成 沉淀,且为不可逆反应(如葡萄糖、蔗糖、苏氨酸、精氨酸等)。②无机纳米微粒可促进 一些水溶性有机化合物的沉淀(如酪氨酸)。③土壤无机纳米微粒可催化和促进小分子 有机化合物发生转化(如:草酸变成青绿色,水杨酸变成红棕色,酪氨酸变成红棕色等)。 ④一些可溶性的小分子有机化合物可促进无机纳米拉子的絮凝(如:甲硫氛酸、丙氛酸、 丝氨酸和天冬氛酸)。 从反应的速度来看,不同的有机小分子化合物间也存在较大的差别。其中以有机酸 的反应最快,从反应液颜色的变化上体现的非常明显,这与纳米杜子在酸性条件下的不 稳定性直接相关。糖的作用相对比较缓慢。不同的氛基酸间差别很大,以天冬氨酸的作 用最快,并伴随气泡的产生。其次是酪氨酸、苏氨酸和精氨酸,而以丝氨酸的作用最慢。 进一步对纳米粒子与小分子有机化合物组装体的红外光谱的分析表明,不同的氨基酸与 不同的土壤纳米粒子复合组装的机制不同。小分子的糖类与土壤无机纳米拉子的相互作 用形成的组装体成分也是以无机成分为主,两者间的作用属于非健合反应。 土壤无机纳米微粒对作物残体的分解转化具有促进作用,不同的无机纳米粒子对有 机残体分解影响的差异主要体现在腐解的前期生成的小分子有机化合物不同,对生成的 胡敏酸类大分子化合物虽也有影响,但差异较小。从对不同组分生成的数量看,土壤无 机纳米粒子对玉米桔秆腐解过程中,水溶性有机化合物的生成在腐解的前期和后期有显 著的抑制作用,而以前期的抑制作用最显著。无机纳米粒子对桔杆腐解生成水溶性小分 子有机化合物有促进作用。无机纳米拉子的存在大大降低了水溶性胡敏酸的含量,但不 同的纳米粒子间的作用无明显的差异。 不同来源的土壤无机纳米微粒,对桔秆腐解生成的碱溶性有机化合物的影响是有差 异的。在前期,以氧化铁和氧化铭的影响最大,而在后期,则以黑钙土和白浆土的无机 纳米粒子对碱溶性化合物的生成的影响最大。氧化铁和氧化铝纳米粒子在前期,显著提 高了碱溶性胡敏酸的含量,而其它纳米粒子无显著的作用,而在一个月后,土壤中提取 的无机纳


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