摘要: 纳米技术(Nanotechnology)是目前发展最为迅速的科学技术之一,它正在被广泛地应用于其他学科的各个领域之中。通常纳米颗粒被定义为至少在一个维度上尺寸小于100nm的材料。由于尺度效应,尺寸小于100nm的纳米颗粒往往具有着独特的性质。工程纳米颗粒在不同环境条件下(如在土壤环境或水生环境条件下)的环境行为和影响已经被广泛地进行讨论。而从研究时间的角度来看,针对200～2000 nm天然胶体的研究要远远早于工程纳米颗粒的研究。虽然针对工程纳米颗粒和天然胶体的各方面性质已经开展了很多研究,针对100 nm尺度以下的天然胶体,即天然纳米颗粒的研究还不够深入。我们对中国地带性土壤中的天然纳米颗粒进行了提取,并对所提取的土壤纳米颗粒的性质、稳定性和环境行为进行了研究。研究的主要结论有:(1)利用超声波分散和离心分离技术的纯物理手段,可以从辽宁(LN)、吉林(JL)、江西(JX)和海南(HN)四种土壤样品中非破坏性地提取出土壤纳米颗粒。动态光散射测得四种纳米颗粒的粒径分别为90.0 nm(LN)、90.9 nm(JL)、82.8 nm(JX)和95.8 nm(HN),纳米颗粒粒径可以在长时间内(100天)保持稳定。纳米颗粒提取量随着超声能量的增长而增长,两者呈对数函数关系。在60 000 J的超声条件下,四种土壤样品的纳米颗粒提取率分别为0.51%(LN)、2.49%(JL)0.44%(JX)和 0.42%(HN)。使用 TEM、BET、FTIR 等方法对土壤天然纳米颗粒的性质进行了表征。(2)土壤天然纳米颗粒在特定电解质溶液中的聚沉情况比较可以直观地反映其稳定性的强弱。土壤纳米颗粒的临界聚沉浓度反映了纳米颗粒的聚沉情况。JL纳米颗粒的临界聚沉浓度分别为NaCl 76.5 mM、CaCl2 1.15 mM和LaCl3 0.050 mM;LN纳米颗粒的临界聚沉浓度分别为NaCl 140 mM、CaCl2 1.79 mM和LaCl30.055 mM;JX纳米颗粒的临界聚沉浓度分别为NaCl 29.5 mM、CaCl2 0.744 mM和LaCl3 0.024 mM;HN纳米颗粒的临界聚沉浓度分别为NaCl 103 mM、CaCl2 1.89 mM和LaCl3 0.082 mM。土壤纳米颗粒的聚沉随电解质离子强度的增强而变得更加强烈;当电解质溶液的浓度增加到一定程度时,土壤纳米颗粒的聚沉达到最强。在相同的离子强度下,土壤纳米颗粒的表面电荷受价位较高的阳离子影响较大学。根据DLVO理论的分析,粒子之间的静电斥力和范德华引力共同决定着粒子的聚沉动力学过程。DLVO理论可以解释土壤纳米颗粒的聚沉情况和稳定性排序。四种土壤纳米颗粒在真空中的哈梅克常数分别为6.99×10-20J(JL),5.16×10-20J(LN),4.47×10-20 J(HN)和 10.40×10-20J(JX)。(3)去除有机质组分和添加赤铁矿颗粒处理均会对纳米颗粒稳定性产生很大学的影响。去除有机质组分后JL纳米颗粒的临界聚沉浓度分别由NaC176.5 mM、CaCl2 1.15 mM 和 MgCl2 0.9 mM 降低到 NaCl 51.7 mM、CaCl2 0.70 mM 和 MgCl20.72 mM。HN纳米颗粒的临界聚沉浓度分别由NaCl 103 mM、CaCl2 1.89 mM和MgCl21.16mM 降低到 NaCl40.6mM、CaCl20.31mM和 MgCl20.33 mM。JL 纳米颗粒的临界聚沉浓度在添加赤铁矿后降低到了 NaCl 55.0 mM。通过DLVO理论的模拟,去除有机质组分和添加赤铁矿处理都能够降低土壤纳米颗粒的表面电荷强度,增强了纳米颗粒之间的范德华引力,这两个因素的共同作用直接降低了土壤纳米颗粒的稳定性。(4)天然纳米颗粒在饱和多孔介质中极易发生粒径的增大学和沉积。在通过饱和多孔介质后,JL纳米颗粒和HN纳米颗粒的粒径分布增大学为110.2 nm和118.5 nm,两者的回收率分别为79%和89%。纳米颗粒的回收率和突破曲线与其自身的稳定性相关。电解质条件下的纳米颗粒更容易发生沉积,其回收率分别为42%和49%。纳米颗粒经过去有机质处理之后,其回收率降低为76%和60%,在过柱突破的过程中产生了明显的拖尾和滞后现象。天然纳米颗粒在饱和多孔介质中突破与迁移的结果与之前稳定性表征的结果能够对应起来。纳米颗粒稳定性的改变是影响天然纳米颗粒迁移的结果的原因。(5)实验对慈溪地区围垦水稻土和土壤纳米颗粒的理化性质进行了测定分析和表征。慈溪地区围垦水稻土和土壤纳米颗粒的理化性质呈现出明显的趋势性变化和规律性。由于土壤的脱盐作用,土壤纳米颗粒的含量在耕作过程中明显增加,与耕作年限呈正相关,并在深层土壤产生积累。在长期围垦耕作过程中,土壤理化性质的变化与所对应的土壤纳米颗粒性质发生的变化相似。同时基于土壤纳米颗粒性质变化和土壤自身性质变化,可以将成土过程进行划分。基于土壤纳米颗粒性质变化对比土壤自身性质的成土过程划分基本一致,但在表层土壤中有一定的滞后,整个成土过程主要可以划分为50年内、50～700年、700～1000年三个阶段。土壤纳米颗粒作为土壤的纳米尺度组分,表现出了解释、表征土壤变化的过程的潜力。
关键词: 土壤天然纳米颗粒;稳定性;临界聚沉浓度;DLVO理论;迁移性;土壤发生
