CN102319546A

CN102319546A - 土壤纳米级颗粒的提取方法

Info

Publication number: CN102319546A
Application number: CN201110151390A
Authority: CN
Inventors: 徐建明; 李文彦; 何艳; 吴建军; 汪海珍
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102319546B

Abstract

本发明公开了一种土壤纳米级颗粒的提取方法，包括以下步骤：1)、选择黑土、棕壤或砖红壤作为适宜土壤；2)、将适宜土壤自然风干后粉碎过筛，在过筛后的土壤中加入蒸馏水，将所得的土水悬浊液进行超声分散均匀；3)、将上述超声处理后土水悬浊液过筛，将上述过筛后的土水悬浊液置于离心管中离心，在离心力900～1100g的条件下离心22～26分钟，得到的上悬液为土壤纳米颗粒溶液。采用本发明的方法从土壤中提取土壤纳米颗粒，具有清洁、快速、无需使用化学分散剂的特点。

Description

土壤纳米级颗粒的提取方法

技术领域

本发明属于土壤化学领域，具体涉及一种土壤纳米级颗粒的优化提取方法。

背景技术

纳米材料是目前具有良好发展前景的新兴材料，他们的大小介于1-100nm之间，由于他们极小的尺寸使他们具有量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等特殊属性，在科研、技术及工程领域中都有着极大的应用前景。目前防治和修复土壤污染、保护土壤环境安全以实现土壤资源的可持续利用已成为当前全球关注的焦点。纳米材料在防治土壤污染领域也显示出极为广阔的发展空间，大量研究表明纳米颗粒对各种环境污染物：重金属、有机污染物、农药等均具有较好的修复能力。但人工纳米颗粒在污染修复上的大量应用使其在环境中的风险评估也提上了议程，人工合成的纳米颗粒由于其特殊的性质，极易进入土壤中的细菌、植物及动物中，有大量的证据证明纳米颗粒能够被多种类型的细胞吸收，他们能够穿过细胞膜然后内化，对细菌、动物、人类都会产生毒性效应。由于人工纳米颗粒所具有的环境风险，天然纳米颗粒的概念已越来越得到重视。

研究表明有大量的天然纳米颗粒存在于自然界中，特别是土壤中，复杂多样的组成成分使其成为天然纳米颗粒的一个主要来源。土壤中含有不同形态的混合硅酸盐，无机氧化物和腐植酸等物质，其中矿物及金属氧化物等都具有纳米尺寸。研究表明土壤中的矿物由于他们极小的尺寸会具有比预想中更为复杂的化学性质，纳米级的矿物具有独特的表面及表面原子结构使他们在地理化学、生物地学及动力学上能够表现出更为多样的效应。因此天然纳米颗粒对自然界的生物地球化学和生态的影响是目前发展最快的科研领域，由于纳米颗粒的表面及结构特性，土壤中的纳米颗粒能够参与很多基本必要的生态服务，包括管理水储存和元素循环等。天然纳米颗粒由于其极大的表面积，不仅能够通过吸附和迁移化学及生物污染物，使其成为有机碳及植物营养的来源，还能够缓释化肥，同时在土壤中酶的催化及保持中也起着重要的作用。在污染治理方面，纳米矿物质通过复杂的交换关系影响到重金属在地球表面环境的迁移，许多研究认为粘土矿物、氧化物等从10nm到几微米的无机胶体对提高污染物的迁移有着较大的贡献。天然无机纳米颗粒(如FeOX纳米颗粒)是土壤、沉积物等的重要组成成分，他们对于阴离子、金属离子，如砷、铬、铅、汞和硒等具有较高的吸附能力，腐殖质等天然有机纳米颗粒能够强烈影响水体中污染物的溶解、迁移、新陈代谢及生物利用率等。

随着对天然纳米颗粒在自然界的生物地球化学和生态的影响越来越深入的认识，天然纳米颗粒对于污染治理上优势的显露，土壤天然纳米颗粒的分散提取已成为以上课题研究的重要前提。目前，进行土壤纳米颗粒分散和提取的主要有震荡-沉降法，化学分散-沉降法等，其中主要的技术是通过人为添加化学分散剂加超声分散，再通过Stokes沉降法提取得到土壤纳米颗粒，以上的方法能够提取得到一定量的土壤纳米颗粒，但还是存在一定的问题，首先是人为添加化学分散剂的过程，将天然纳米颗粒引入污染修复的关键一点就是为避免人工化学合成的纳米颗粒对环境造成的风险，而在天然纳米颗粒提取过程中化学分散剂的加入本身就与主旨想违背，同样对于天然纳米颗粒的环境行为的认识也存在着极大的误导。而另一缺陷是此提取方法耗时过长，基于Stokes公式，要通过沉降法得到粒度小于100nm的颗粒，需要静置较长的时间(根据不同的环境条件，一般均需要静置至少10小时以上)。以上皆是常用提取方法的缺陷，因此建立一种更为清洁、快速的土壤纳米提取的方法对于土壤科学机理上的研究，及污染物在土壤中的迁移及修复都有着极大的意义。

根据现有的震荡-沉降法，化学分散-沉降法处理上述黑土、棕壤及砖红壤，会导致以下不利因素：一是所需的时间大大延长；二是通过化学方法处理后得到的纳米颗粒主要是无机纳米颗粒，在处理的过程中会除去土壤中的有机成分，而有机纳米颗粒在天然纳米颗粒中有非常重要的意义，不利于对天然纳米颗粒的下一步研究；三是震荡-沉降法，化学分散-沉降法处会引入新的污染，因为在这些方法中都有使用到化学试剂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种清洁、快速、且无需使用化学分散剂的土壤纳米颗粒的提取方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤纳米级颗粒的提取方法，包括以下步骤：

1)、选择适宜土壤：

选择黑土、棕壤或砖红壤作为适宜土壤；

2)、前处理：

将适宜土壤自然风干后粉碎过筛，在过筛后的土壤中加入蒸馏水，得土水悬浊液，土壤与蒸馏水的用量比为：3g土壤/75～85ml的蒸馏水；

将上述土水悬浊液进行超声分散均匀，得到超声处理后土水悬浊液；

3)、提取土壤纳米颗粒溶液：

将上述超声处理后土水悬浊液过筛，得过筛后的土水悬浊液；将上述过筛后的土水悬浊液置于离心管中离心，在离心力900～1100g的条件下离心22～26分钟，得到的上悬液为土壤纳米颗粒溶液。

作为本发明的土壤纳米级颗粒的提取方法的改进：步骤2)中的超声分散条件为：

使用探头式超声仪，土水悬浊液盛放于套管冷却杯中，在超声过程中通过流动冷却水带走超声释放的大量热量，从而防止高温对于天然纳米颗粒的破坏；超声探头置于液面以下2cm处，在20KHZ频率下，选择80％振幅及60000J超声能量。

在此步骤中，通过流动冷却水，能保证土水悬浊液的温度为常温(即，一般不超过30℃)。

作为本发明的土壤纳米级颗粒的提取方法的进一步改进：步骤3)为：将土水悬浊液过50μm筛，在离心力1000g的条件下离心24分钟，得到的上悬液为土壤纳米颗粒溶液。

在本发明中，所需的离心力及时间可根据Stokes公式进行计算。

本发明所得的土壤纳米颗粒溶液一般以4℃保存即可。

将本发明所得土壤纳米颗粒溶液于-54℃进行冷冻干燥，得到粉状土壤纳米颗粒的团聚体。

在本发明中：由于对分散剂使用的摒弃，因此土壤的选择成为本方法的一个重要前提，本发明的发明人基于全中国9种从南到北的土壤，其土壤类型囊括：黑土、棕壤、褐土、潮土、黄筋泥、红砂土、红壤、黄壤及砖红壤；其中黑土、棕壤及砖红壤中能够提取得到一定量的土壤纳米颗粒，黑土及棕壤中提取得到的纳米颗粒主要成分为粘土矿物蒙脱石，砖红壤中主要提取得到的也是粘土矿物为高岭石，但在中国南方的砖红壤中同时能够得到铁的氧化物，说明中国土壤中主要存在的纳米尺度的物质是粘土矿物及金属氧化或水合物，纳米级的粘土矿物以高岭石及蒙脱石为主。因此在土壤样品的选择上可选取北方及南方的地带性土壤，以黑土、棕壤及砖红壤为主。

综上所述，在不使用分散剂的前提下，中国黑土、棕壤、褐土、潮土、黄筋泥、红砂土、红壤、黄壤及砖红壤9种土壤中，黑土、棕壤及砖红壤能够提供最大量的土壤纳米颗粒，他们的主要成分是粘土矿物及金属氧化物。

步骤2)中采集的土样在室温下自然风干，去除土样中的砾石、岩屑及植物根系等杂物后，将土样粉碎过筛，磨细，过2mm筛。

称取3g过筛的土样加入80ml的蒸馏水进行超声分散，超声的条件包括超声仪器的选择，超声仪器包括探头式超声仪及洗槽式超声仪，在土壤悬浊液的分散过程中应选用探头式超声仪，在20KHz的频率下，选择80％振幅及60000J的超声能量，超声的目的是让土壤充分分散，探头式超声仪相比于洗槽式超声仪的效果更为明显高效，而60000J的超声能量也是在实验中得到的针对选取的土样的最佳超声能量值，超声能量过低的情况下，土壤不能得到充分的分散，而超声能量过高的情况下，超声后得到的土壤纳米颗粒会相互团聚，因此60000J超声能量才是最适超声条件，能够提供最大量的及粒度最小的土壤纳米颗粒，同时在超声的过程中在套管冷却杯中的套管中通过流动的冷却水，带走超声过程中产生的大量热量，保护土壤纳米颗粒不在超声过程被高温破坏。

步骤3)中将土壤悬浊液过50μm筛，将过筛后的土壤悬浊液置于100mL离心管中，根据Stokes公式，计算分离100nm颗粒所需的离心条件，在1000g的离心力下，离心24分钟(为最佳条件)，就可快速分离＜100nm的土壤纳米颗粒。

与现有技术相比，本提取方法具有以下的明显进步

1、采用纯物理方法提取天然土壤纳米颗粒，避免了化学法中的化学药剂添加对环境引入的风险。

2、超声采用探头式超声仪，相比与常用的洗槽式超声仪，可在较短的时间内释放出大量的超声能量，而且这部分能量能够精确定量，使实验过程更为快速、准确，同时能量的瞬间释放能够使土液得到完全的分散，使提取更为完全。

3、套管冷却杯的使用，为防止瞬间释放的能量产生的高温对土壤纳米颗粒会造成的破坏，在超声过程使用套管冷却杯盛放土液，通过流动的冷却水带走热量，使温度保持在常温，保护土壤纳米颗粒的天然结构组分及性质。

4、使用离心法分离土壤纳米颗粒，传统的沉降法在分离＜100nm这一阶段会需要静置土水悬浊液较长的时间，而采用离心法可以大大缩短分离的时间，使提取的方法更为简洁快速。

5、应用冷冻干燥法得到土壤纳米颗粒，方便保存及后续研究。

6、本发明的方法采用纯物理清洁的手段，摒弃了一切破坏及污染纳米颗粒的过程，可避免现有方法所存在的以下缺陷：在添加分散剂及加温烧制的过程中会破坏天然纳米颗粒的结构，并引入新的污染。

综上所述，本发明的提取方法采用纯物理超声-离心的方法提取土壤中的纳米颗粒，本发明的方法具有清洁、快速、有效，不破坏样品，可操作性强，结果可靠等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的土壤纳米级颗粒提取的流程图；

图2是提取得到的土壤纳米颗粒的粒度分布图；

图2中：A，黑土；B，棕壤；C，砖红壤；

图3是提取得到的土壤纳米颗粒的透射电镜(TEM)图；

图3中：A，黑土；B，棕壤；C，砖红壤；

图4为干燥后土壤纳米颗粒团聚体的扫描电镜(SEM)图；

图4中：A，黑土；B，棕壤；C，砖红壤。

具体实施方式

实施例1、一种土壤纳米级颗粒的提取方法，依次进行以下步骤：

1)、选择适宜土壤：

选择黑土作为适宜土壤；

2)、前处理：

将上述适宜土壤自然风干至恒重后去除土壤中的砾石、岩屑及植物根系等杂物，然后粉碎磨细至能过2mm筛。称取3g过筛后的土壤置于100ml的套管冷却杯中，加入80ml蒸馏水，得土水悬浊液。

使用探头式超声分散仪对上述土水悬浊液进行分散，超声探头固定在离悬浊液表面深2cm处，在20KHz频率下，使用80％振幅，输出60000J的能量对土水悬浊液进行超声分散，由于超声的过程中会产生大量的热量，迅速升高的温度会破坏土壤天然结构及组分，因此使用套管冷却杯，在套管中通入流动的冷却水带走大部分热量，防止超声过程中的产生的高温破坏作用。水流量约为1L/min，能保证土水悬浊液的温度不超过30℃；从而得到超声处理后土水悬浊液。

3)、提取土壤纳米颗粒溶液：

将上述超声处理后土水悬浊液通过50μm筛，得过筛后的土水悬浊液；将上述过筛后的土水悬浊液置于离心管中于1000g离心力下离心24分钟，离心后所得的上悬液为土壤纳米颗粒溶液。

选取上述少量的土壤纳米颗粒溶液用纳米激光粒度仪测定提取的纳米颗粒的粒度分布，测定的颗粒粒度分布见图2-A，同时通过透射电镜观察纳米颗粒的形貌，见图3-A。

从图2-A和图3-A我们可以得知：黑土中提取得到的纳米颗粒粒度为30nm左右。

4)、冷冻干燥：

为易于保存，将上述土壤纳米颗粒溶液放入100ml小烧杯中，于-54℃进行冷冻干燥，得到粉状土壤纳米颗粒的团聚体。

在扫描电镜中观察团聚体的形貌见图4-A，即，当冷冻干燥后，纳米颗粒会聚集成约5μm的团聚体。因此判断其团聚的形态已超过纳米尺度，可能不能表现出纳米颗粒应有的尺寸及表面的性质；所以，建议以悬浊液的形态低温保存提取得到的天然纳米颗粒(即，将步骤3)所得的土壤纳米颗粒溶液于4℃保存)，或是在应用干燥纳米颗粒前加水再行超声分散。

利用傅里叶红外(FTIR)及X-射线衍射(XRD)测试得到提取的土壤纳米颗粒的主要结构组成：其主要为蒙脱石，便于后续的研究及应用。

实施例2、

选择棕壤(替代黑土)作为适宜土壤；其余完全同实施例1。

步骤3)所得的土壤纳米颗粒溶液，经测定：颗粒粒度分布见图2-B，同时通过透射电镜观察纳米颗粒的形貌，见图3-B。

从图2-B和图3-B我们可以得知：棕壤中提取得到的纳米颗粒粒度为40nm左右。

步骤4)冷冻干燥后所得的粉状土壤纳米颗粒的团聚体，在扫描电镜中观察团聚体的形貌见图4-B，即，当冷冻干燥后，纳米颗粒会聚集成约5μm的团聚体。因此判断其团聚的形态已超过纳米尺度，可能不能表现出纳米颗粒应有的尺寸及表面的性质，所以，建议以悬浊液的形态低温保存提取得到的天然纳米颗粒，或是在应用干燥纳米颗粒前加水再行超声分散。

实施例3、

选择砖红壤(替代黑土)作为适宜土壤；其余完全同实施例1。

步骤3)所得的土壤纳米颗粒溶液，经测定：颗粒粒度分布见图2-C，同时通过透射电镜观察纳米颗粒的形貌，见图3-C。

从图2-C和图3-C我们可以得知：砖红壤中提取得到的纳米颗粒粒度为45nm左右。

步骤4)冷冻干燥后所得的粉状土壤纳米颗粒的团聚体，在扫描电镜中观察团聚体的形貌见图4-C，即，当冷冻干燥后，纳米颗粒会聚集成约5μm的呈絮状的团聚体；因此判断其团聚的形态已超过纳米尺度，可能不能表现出纳米颗粒应有的尺寸及表面的性质，所以，建议以悬浊液的形态低温保存提取得到的天然纳米颗粒，或是在应用干燥纳米颗粒前加水再行超声分散。

利用傅里叶红外(FTIR)及X-射线衍射(XRD)测试得到提取的土壤纳米颗粒的主要结构组成：其主要为高岭石及铁氧化物，便于后续的研究及应用。

按照实施例1～实施例3所述，最终所得(即步骤4)所得)的土壤纳米颗粒的提取量如表1所示。

表1、提取得到的土壤纳米颗粒的质量

土样	黑土	棕壤	砖红壤
				超声能量(J)	60000	60000	60000
提取量(mg/g)	130.00	87.38	65.20

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.土壤纳米级颗粒的提取方法，其特征是包括以下步骤：

1)、选择适宜土壤：

选择黑土、棕壤或砖红壤作为适宜土壤；

2)、前处理：

将适宜土壤自然风干后粉碎过筛，在过筛后的土壤中加入蒸馏水，得土水悬浊液，所述土壤与蒸馏水的用量比为：3g土壤/75～85ml的蒸馏水；

3)、提取土壤纳米颗粒溶液：

2.根据权利要求1所述的土壤纳米级颗粒的提取方法，其特征是：所述步骤2)中的超声分散条件为：

3.根据权利要求2所述的土壤纳米级颗粒的提取方法，其特征是：所述步骤3)为：将土水悬浊液过50μm筛，在离心力1000g的条件下离心24分钟，得到的上悬液为土壤纳米颗粒溶液。