1226 Acta Phys.-Chim.Sin.2009 Vol.25 的胶体凝聚，依据碰撞后的有效碰撞概率（即凝聚 颗粒凝聚与多级结构或团粒结构的形成)和宏观现 率)在0-1之间四，人们提出了两种疑聚机制：一是 象加水十指失和面原污速)的发生牛版可研究十壤彩 体凝聚的动力学过程，揭示土壤颗粒相互作用机制 (RLCA)网当胶粒间不存在斥力位能或斥力位能远 对于揭示士壤某些微观过程和宏观效应之间的 小于胶粒布朗运动的动能时，任何疑粒一经碰撞就 系.可能是十分关键的.然而.士壤胶体不仅是多分 立即发生不可逆的永久性粘结。其有效碳撞概案等 散体系而且是物质构成复杂的多组分体系，本文用 于1，这种凝聚称为快速凝聚或DLCA凝聚：当胶料 动态光散射技术研究不同电解质类型和浓度作用 间存在足够的双电层斥力.颗粒间要经过多次耐 土壤胶体颗粒的凝聚动力学过程，以揭示多分散、多 撞才可能粘结凝聚，其有效碰撞概率小于1.这种凝 组分胶体题粒的疑聚特征和土壤中的微观过程 聚称为慢速凝聚或RLCA凝聚.这两种凝聚机制所 形成的凝聚体的结构性质、颗粒大小分布和凝聚速 1 材料与方法 率上右明显差别解聚体结构性质可用分形维数表 11K+饱和土病胶体的制各及基本性历 征临可：凝聚时程的动态变化或影聚速率可用疑聚体 样品采自重庆市北碚区鸡公山，是三叠纪石灰 的大小（如水力直径、回转半径）随时间的变化关系 岩母质发有可变电荷土壤 黄壤，电荷零点为pH 来表正”.在DLCA下，凝聚体的大小随时间呈幂函 3.8.土样加入KOH.经超声分散后.采用重力沉降 数增长可，在RLCA下早指数函数增长可除了布朗 法反复提取直径小于0.2μ4m的土壤胶体，直到吸取 层动 产生凝聚，剪力和重力作用造成的差速沉降世 的悬液清亮为止.所提胶体用HNO,凝聚，弃上清 可能导致颗粒碰撞而产生凝聚， 一般认为布朗运动 液，然后用超纯水反复洗涤胶体，去除体系中其它离 只在小颗粒凝聚中起支配作用，而当颗粒较大时，剪 子.最后用KOH溶液调节pH=83.此时，黄壤胶体 力和差速沉降才起支配作用倒 可变电荷表面带净负电荷，在低K浓度下呈稳定分 随者光散射技术的引入 人们利用人工合成 散的悬液状态.用火焰光度计测定K饱和样品中 胶体-如：聚苯乙烯、金、硅石等单一体系进行颗 体溶液K离子浓度约为2.375x105mol·L.用烘干 拉的凝聚实验得到与计算机横拟一致的结果目前 测定该悬液胶体颗粒浓度为0.95gL,然后加水 光散射技术成为胶体及纳米级颗粒研究的重要」 进 步把悬液稀释至 45gL实验前再超声 具.研究材料也从简单的人工合成材料扩展到比较 min.充分分散后备用.凝聚实验中体系电解质浓度 复杂的自然胶体，如赤铁矿、腐殖质、水铝英石、伊利 分别为0、9、18、27、45、90、180 nmol.L-KN0:0.00、 石等，并己经从单分散体系扩展到多分散体系 0.09.0145、0.18、0.45、1.80、4.50mmol-LMgN02 从热力学、动力学稳定体系到 一定程度相互作用的表 实验中所用试剂均为分析纯 力学、动力学不稳定体系.Derrendinger等成功地 根据L等☒提出的方法测定不同电解质浓度 用激光光散射技术研究了“伊利石NC”县液中多分 下黄壤胶体的表面电位，和双电层厚度K(见表1) 散体系絮凝动力学及形成的凝聚体形态，结果表明 1.2 动态光散射测定方法 伊利石胶体凝聚行为偏离DLCA和RLCA机制.并 动态光散射技术也称光子相关光谱技术，是通 提出颗粒形状、初始浓度、结构重组等可能是影响 过测量由题粒的布朗运动所引起的随机涨落光散 偏离DLCA和RLCA机制的因素. Adachi等用 射，采用光子计数相关分析得到自相关函数（简称 动态光散射仪探讨了自然胶体水铝英石在不同 ACF),再利用各种算法反演得到运动颗粒光强加权 NC浓度和不同H条件下的凝聚过程.由于水铝 的有效粒径（简称Eff diam)和分散度（简称Polv)等 英石为可变电荷胶体，他们发现由电荷中和产生的 信息的一种技术.其基本原理见文献9,21,22 凝聚比压缩双电层产生的凝聚更快 对于多分散体系，运用积累量法拟合得到的有效粒 土壤胶体颗粒是粒径小于0.001mm的带有大 径是表观平均的水力直径，通过跟踪凝聚过程中散 量电荷的微粒随若降雨、灌溉或蒸发.土壤中的电 射光强和有效拉径的变化来研究土壤胶体颖粒凝聚 解质浓度不断改变，从而导致士壤胶体颗粒的分散 机理.受限于重力沉降士壤胶体颗粒凝聚体的粒径 和凝聚过程频繁地自发进行.土壤胶体颗粒的相互 小于2.5um 作用深刻地影响到土壤中大多数微观过程（如胶体 本研究采用美国Blookhaven公司生产的多角度 Acta Phys. -Chim. Sin., 2009 Vol.25 的胶体凝聚, 依据碰撞后的有效碰撞概率(即凝聚概 率)在0-1之间[2], 人们提出了两种凝聚机制: 一是扩 散控制簇团凝聚(DLCA)[3-5]; 二是反应控制簇团凝聚 (RLCA)[5]. 当胶粒间不存在斥力位能或斥力位能远 小于胶粒布朗运动的动能时, 任何颗粒一经碰撞就 立即发生不可逆的永久性粘结, 其有效碰撞概率等 于1, 这种凝聚称为快速凝聚或DLCA凝聚; 当胶粒 间存在足够的双电层排斥力, 颗粒间要经过多次碰 撞才可能粘结凝聚, 其有效碰撞概率小于1, 这种凝 聚称为慢速凝聚或RLCA凝聚. 这两种凝聚机制所 形成的凝聚体的结构性质、颗粒大小分布和凝聚速 率上有明显差别. 凝聚体结构性质可用分形维数表 征[6,7]; 凝聚过程的动态变化或凝聚速率可用凝聚体 的大小(如水力直径、回转半径)随时间的变化关系 来表征[7-9]. 在DLCA下, 凝聚体的大小随时间呈幂函 数增长[3,7]; 在RLCA下呈指数函数增长[3,7]. 除了布朗 运动产生凝聚, 剪力和重力作用造成的差速沉降也 可能导致颗粒碰撞而产生凝聚, 一般认为布朗运动 只在小颗粒凝聚中起支配作用, 而当颗粒较大时, 剪 力和差速沉降才起支配作用[8]. 随着光散射技术的引入, 人们利用人工合成的 胶体[7-12], 如: 聚苯乙烯、金、硅石等单一体系进行颗 粒的凝聚实验, 得到与计算机模拟一致的结果. 目前 光散射技术成为胶体及纳米级颗粒研究的重要工 具. 研究材料也从简单的人工合成材料扩展到比较 复杂的自然胶体, 如赤铁矿、腐殖质、水铝英石、伊利 石等[13-15] , 并已经从单分散体系扩展到多分散体系, 从热力学、动力学稳定体系到一定程度相互作用的热 力学、动力学不稳定体系. Derrendinger 等[13]成功地 用激光光散射技术研究了“伊利石-NaCl”悬液中多分 散体系絮凝动力学及形成的凝聚体形态, 结果表明, 伊利石胶体凝聚行为偏离 DLCA 和 RLCA 机制, 并 提出颗粒形状、初始浓度、结构重组等可能是影响 偏离 DLCA 和 RLCA 机制的因素. Adachi 等 [14]用 动态光散射仪探讨了自然胶体水铝英石在不同 NaCl 浓度和不同 pH 条件下的凝聚过程. 由于水铝 英石为可变电荷胶体, 他们发现由电荷中和产生的 凝聚比压缩双电层产生的凝聚更快. 土壤胶体颗粒是粒径小于 0.001 mm 的带有大 量电荷的微粒, 随着降雨、灌溉或蒸发, 土壤中的电 解质浓度不断改变, 从而导致土壤胶体颗粒的分散 和凝聚过程频繁地自发进行. 土壤胶体颗粒的相互 作用深刻地影响到土壤中大多数微观过程(如胶体 颗粒凝聚与多级结构或团粒结构的形成)和宏观现 象(如水土流失和面源污染)的发生[16,17]. 研究土壤胶 体凝聚的动力学过程, 揭示土壤颗粒相互作用机制, 对于揭示土壤某些微观过程和宏观效应之间的联 系, 可能是十分关键的. 然而, 土壤胶体不仅是多分 散体系, 而且是物质构成复杂的多组分体系. 本文用 动态光散射技术研究不同电解质类型和浓度作用下 土壤胶体颗粒的凝聚动力学过程, 以揭示多分散、多 组分胶体颗粒的凝聚特征和土壤中的微观过程. 1 材料与方法 1.1 K+ 饱和土壤胶体的制备及基本性质 样品采自重庆市北碚区鸡公山, 是三叠纪石灰 岩母质发育可变电荷土壤——黄壤, 电荷零点为 pH 3.8. 土样加入 KOH, 经超声分散后, 采用重力沉降 法反复提取直径小于 0.2 μm 的土壤胶体, 直到吸取 的悬液清亮为止. 所提胶体用 HNO3 凝聚, 弃上清 液, 然后用超纯水反复洗涤胶体, 去除体系中其它离 子. 最后用 KOH 溶液调节 pH=8.3, 此时, 黄壤胶体 可变电荷表面带净负电荷, 在低 K+ 浓度下呈稳定分 散的悬液状态. 用火焰光度计测定 K+ 饱和样品中本 体溶液 K+ 离子浓度约为 2.375×10-5 mol·L-1. 用烘干 法测定该悬液胶体颗粒浓度为 0.95 g·L-1, 然后加水 进一步把悬液稀释至 0.475 g·L-1. 实验前再超声 2 min, 充分分散后备用. 凝聚实验中体系电解质浓度 分别为0、9、18、27、45、90、180 mmol·L-1 KNO3; 0.00、 0.09、0.145、0.18、0.45、1.80、4.50 mmol·L-1 Mg(NO3)2. 实验中所用试剂均为分析纯. 根据Li等[18-20]提出的方法, 测定不同电解质浓度 下黄壤胶体的表面电位φ0和双电层厚度κ-1(见表1). 1.2 动态光散射测定方法 动态光散射技术也称光子相关光谱技术, 是通 过测量由颗粒的布朗运动所引起的随机涨落光散 射, 采用光子计数相关分析得到自相关函数(简称 ACF), 再利用各种算法反演得到运动颗粒光强加权 的有效粒径(简称 Eff. diam)和分散度(简称 Poly)等 信 息 的 一 种 技 术. 其基本原理见文献[9,21,22]. 对于多分散体系, 运用积累量法拟合得到的有效粒 径是表观平均的水力直径. 通过跟踪凝聚过程中散 射光强和有效粒径的变化来研究土壤胶体颗粒凝聚 机理. 受限于重力沉降, 土壤胶体颗粒凝聚体的粒径 小于 2.5 μm[13]. 本研究采用美国Blookhaven公司生产的多角度 1226