CN102580539B - 一种模拟土壤自然酸化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟土壤自然酸化的方法，步骤为：将待酸化的土壤样品置于去离子水中超声分散均匀，然后放入电渗析器的中间室，中间室与两个边室分别用玻璃纸隔开；两个边室分别装蒸馏水，并分别放入铂金电极和铜电极，用导线将边室连接到直流稳压电源的正、负极上，调节稳压电源使两电极间的电压梯度保持在7.5-15.0V/cm，搅拌样品同时不断更新边室中的溶液，并测定与电源负极相连的边室溶液的电导，当电导数值稳定且与蒸馏水的电导接近时，电渗析完全；取出样品，烘干得到强烈酸化的土壤。本发明可以高效模拟研究热带、亚热带地区土壤的自然酸化。
Description
技术领域
本发明属于土壤退化与调控技术领域，具体涉及一种在直流电场作用下模拟土壤自然酸化过程使硅酸盐矿物和土壤在短期内达到强酸化状态的方法。
背景技术
我国热带、亚热带地区分布着大面积的酸性红壤，酸化是影响该类土壤的生态环境健康和可持续发展的重要障碍因子。强烈的自然淋溶作用造成土壤中交换性盐基阳离子(Ca2+、Mg2+、K+和Na+)的大量淋失，土壤溶液中的水、碳酸等解离出氢离子占据土壤表面阳离子交换位，并很快发生氢铝转化，使土壤不断被交换性铝饱和，交换性铝的水解是土壤酸度的本质，这一过程是导致热带、亚热带地区土壤自然酸化的根本原因。而这一酸化过程短期内很难显现出来，而是需要成千上万年的地质时间。因此，目前研究土壤自然酸化过程时，为在短期内使土壤达到强酸化状态，常采用强酸淋洗或铝盐饱和的方法使土壤酸化和铝饱和，但强酸淋洗对土壤黏土矿物有不同程度的溶解和破坏作用，而铝盐饱和的方法则会带入大量的盐分，且难以去除，均不能很好地模拟土壤的自然酸化过程中盐分逐渐降低、由交换性氢发生氢铝转化而使交换性铝逐渐增加的过程，这将不利于对土壤自然酸化机理的深入研究。
电渗析利用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法称为渗析。电渗析器由阳极室、中间室及阴极室三室组成。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法，它是20世纪50年代发展起来的一种新技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯水和在环境保护中处理三废最受重视，例如用于酸碱回收、电镀废液处理以及从工业废水中回收有用物质等。
发明内容
解决的技术问题：本发明主要是针对目前研究热带、亚热带地区土壤自然酸化过程常采用强酸淋洗或铝盐饱和的方法，均不能很好地模拟雨水强烈淋溶作用而导致的自然酸化过程；而实际的自然酸化过程又是非常缓慢的问题。本发明的目的是提供一种在直流电场作用下的电渗析处理，充分利用直流电场能加速硅酸盐矿物和土壤中可溶性和交换态盐分离子从土壤和硅酸盐矿物中释放出来，硅酸盐矿物和土壤表面逐渐被氢铝饱和，因此是模拟土壤自然酸化过程使硅酸盐矿物和土壤短期内强烈酸化的高效方法。
技术方案：一种模拟土壤自然酸化的方法，步骤为：将待酸化的土壤样品置于去离子水中超声分散均匀，然后放入电渗析器的中间室，中间室与两个边室分别用玻璃纸隔开；两个边室分别装蒸馏水，并分别放入铂金电极和铜电极，用导线将边室连接到直流稳压电源的正、负极上，调节稳压电源使两电极间的电压梯度保持在7.5-15.0V/cm，搅拌样品同时不断用蒸馏水更新边室中的溶液，并测定与电源负极相连的边室溶液的电导，当电导数值稳定且与蒸馏水的电导接近时，电渗析完全；取出样品，烘干得到强烈酸化的土壤。
上述样品为硅酸盐矿物和土壤；
上述电压梯度优选15.0V/cm。
通过直流电场作用下的电渗析处理模拟土壤自然酸化过程使硅酸盐矿物和土壤短期内达到强酸化状态的方法，所述直流电场的电压梯度为7.5-15.0V/cm，需处理的样品超声后放入电渗析槽中进行电渗析处理。在电场作用下，样品中的可溶性和交换态盐分离子会快速地释放出来，同时由水和溶解于水中的碳酸解离出氢离子逐渐占据粘土矿物和土壤表面的阳离子交换位(负电荷位)，再自动发生氢铝转化而逐渐使土壤被氢铝离子所饱和，并在短期内使硅酸盐矿物和土壤到达强酸化状态。如控制电渗析时间和电压梯度，也可使土壤达到不同的酸化状态。
有益效果：热带、亚热带地区土壤因遭受淋溶作用而促使土壤自然酸化的过程是非常缓慢的，如3000mm高的降雨量淋溶安徽郎溪红壤50.9年仅使pH降低0.07、交换性酸增加9%。但用电压梯度为15.0V/cm电渗析法处理25天就可使土壤pH降低0.52、交换性酸增加249%，交换性酸的饱和度(交换性酸占阳离子交换量的百分比)增加至84.2%。电渗析能很好地模拟强降雨淋溶作用过程中导致交换性盐基不断淋失、土壤表面阳离子交换位逐渐被交换性氢铝离子占据、土壤酸度逐渐增加的过程。用电压梯度为15.0V/cm电渗析处理可使近中性的高岭石、黄棕壤和碱性的蒙脱石在10-50天内pH分别降低至4.64、4.48和3.18，交换性酸的饱和度增加至86.2%-92.4%，使土壤和硅酸盐矿物呈强酸化状态。另外，在7.5-15.0V/cm之间取不同的电压梯度，或电渗析不同的时间，可短期内得到不同酸化程度的硅酸盐矿物和土壤样品。因此，电渗析是一种高效模拟土壤自然酸化的方法。
附图说明
图1 电渗析前、后高岭石、蒙脱石和黄棕壤的pH变化；
图2电渗析前、后高岭石表面交换性酸和交换性盐基阳离子的变化；
图3电渗析前、后蒙脱石表面交换性酸和交换性盐基阳离子的变化；
图4电渗析前、后黄棕壤表面交换性酸和交换性盐基阳离子的变化；
图5 电渗析过程中高岭石表面的pH、交换性酸和交换性盐基阳离子的动态变化；
图6 电渗析过程中黄棕壤表面的pH、交换性酸和交换性盐基阳离子的动态变化；
图7 不同电压梯度的电渗析后，高岭石表面交换性酸和交换性盐基阳离子和pH变化；
图8不同电压梯度的电渗析后，蒙脱石表面交换性酸、交换性盐基阳离子和pH变化；
图9不同电压梯度的电渗析后，黄棕壤表面交换性酸和交换性盐基阳离子和pH变化；
图10 安徽郎溪红壤分别用淋溶和电渗析处理后表面的pH、交换性酸和交换性盐基阳离子的变化。
图11为本发明所用电渗析器示意图，其中中间室（4），左边室（3），右边室（5），铂金电极（1），铜电极（2）。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例来进一步说明本发明的技术方案。各实施例作用电渗析装置为现有产品，其结构示意图如图11所示。
实施例1
用电渗析法模拟自然酸化过程使近中性的高岭石、黄棕壤和碱性的蒙脱石强烈酸化：分别称取80g样品于玻璃杯中，加入1L去离子水并超声分散均匀后，放入电渗析器的中间室，中间室与两个边室分别用玻璃纸隔开；两个边室分别装蒸馏水，并分别放入铂金电极和铜电极，用导线将两个边室分别连接到直流稳压电源的正、负极上，调节稳压电源使两电极间的电压梯度保持在15.0V/cm。搅拌土壤样品并不断用蒸馏水更换两个边室中的水溶液，并测定与电源负极相连的边室水溶液的电导，当24h内水溶液的电导值稳定，且与蒸馏水的电导基本接近时，可认为电渗析完全。一般高岭石、黄棕壤和蒙脱石电渗析完全需10-50天，具体时间取决于样品的性质、换水和样品搅拌频率、电压梯度等。取出样品，烘干、磨细、过筛，测定土壤的pH、交换性酸和交换性盐基。结果表明电渗析能使近中性的高岭石、黄棕壤和碱性的蒙脱石的pH显著降低（图1），绝大部分交换性盐基被去除，并产生了大量的交换性酸（图2、3和4）。电渗析后高岭石、黄棕壤和蒙脱石的pH分别将至4.64、4.48和3.18，交换性酸的饱和度分别为86.7%、86.2%和92.4%，表明电渗析后高岭石、黄棕壤和蒙脱石均呈现强酸化状态。
实施例2
电渗析过程中高岭石和黄棕壤的酸度性质的变化——实验方法基本与实施例1相似。把高岭石和黄棕壤按上述方法电渗析，并在电渗析过程中取样测定高岭石和黄棕壤的pH、交换性酸和交换性盐基；共进行了4次采样，其中第1次和第4次为电渗析前和电渗析后取的样，而第2次和第3次的取样时间，高岭石分别为电渗析的第1和第5天，而黄棕壤为分别为第3和第15天。图5和图6的结果表明，随着电渗析的进行，高岭石和黄棕壤表面的交换性盐基阳离子在电场的作用下会快速地从土壤表面交换位释放出来，同时水和空气中溶解的碳酸解离出的H+逐渐占据这些阳离子交换位，产生交换性H+，而H+在硅酸盐矿物和土壤表面很不稳定，会自动发生氢铝转化变成交换性铝；交换性铝的水解使土壤溶液中游离酸度不断增加，pH显著降低。因此电渗析处理能够很好地模拟热带、亚热带地区多雨的气候条件而导致土壤遭受强烈地淋溶作用，并不断地自然酸化的过程。而且，随着电渗析时间的延长，样品的酸化程度越高，因此电渗析不同时间还可得到不同酸化程度的样品。
实施例3
不同电压梯度对电渗析样品处理效果的影响——实验方法基本与实施例1相似。选择了阳离子交换性差异大的高岭石、黄棕壤和蒙脱石（分别为6.4、21.8和88.7cmolc/kg），分别在7.5V/cm和15.0V/cm的电压梯度下进行电渗析处理。结果发现，在7.5V/cm电压梯度下样品电渗析达到电渗析完全的状态所需时间是15.0V/cm的1.2-1.5倍。而且从图7、8、9和结果可以看出，两种电压梯度下电渗析均使近中性的高岭石、黄棕壤和碱性的蒙脱石发生了酸化，7.5V/cm电压梯度下电渗析的高岭石、黄棕壤和蒙脱石的酸饱和度增加至37.2%-64.6%，而15.0V/cm的电压梯度下样品的酸饱和度增加至86.2%-92.4%。因此电渗析时的电压梯度越大，电渗析所需的时间越短，而且样品的酸化程度越高。硅酸盐矿物和土壤中可溶性和交换性盐基离子分别处于胶体扩散层的不同位置，与胶体结合力的大小也不一。电压梯度越大，对硅酸盐矿物和土壤的盐基离子的去除能力越强，“去除胶状悬液中游离电解质离子的装置”（ZL2009 2 0037724.8.）这一专利中，曾用0.2-0.7V/cm的电压梯度来去除胶状悬液中所有游离离子来精准制备纯净的离子饱和粘粒。因此，小于1V/cm电压梯度的短期电渗析处理常用来去除游离离子，而自然土壤酸化过程不但去除了可溶性盐分，而且硅酸盐矿物和土壤表面的交换性盐基也有不同程度的去除，因此模拟热带、亚热带地区强烈淋溶作用导致的土壤自然酸化过程所需的电压梯度应更高。另外，高的电压梯度虽然在较短时间内使样品的酸化程度越高，但对硅酸盐结构性质的改变程度也会越大。因此，结合电渗析时间、效果以及对样品本身性质改变小等因素，认为15.0V/cm是用电渗析处理使样品短期内达到强烈酸化较理想的电压梯度，而7.5-15 .0V/cm的电压梯度适宜于研究不同酸化程度的样品制备时用。
实施例4
淋溶和电渗析处理对安徽郎溪红壤酸化作用的对比——采集了安徽郎溪红壤，分别进行淋溶和电渗析处理。其中淋溶处理为过10目筛的土壤装入直径为5cm的塑料管中，表层和底层分别铺一层石英砂防止土壤胶体淋出土柱。用蠕动泵控制水流流速，向土柱加蒸馏水，每天白天淋溶10h，晚上停止淋溶，持续淋溶6个月，共淋溶蒸馏水300L，相当于年降雨量高为3000mm的地区50.9年的降雨量，然后停止了淋溶。土壤取出烘干、磨细、过筛后备用。电渗析处理方法同实施例1，用时为25天。两种处理的样品均测定土壤的pH、交换性酸和交换性盐基阳离子。从图10的结果看出长时间的淋溶作用对降低红壤的pH和交换性盐基阳离子，以及增加土壤的交换性酸有一定的促进作用，但作用不是很明显；而短时间的电渗析处理却显著地降低红壤的pH和交换性盐基，并增加土壤的交换性酸。如郎溪红壤原土的pH为5.13，经淋溶和电渗析处理后，pH分别为降低了0.07和0.52，而交换性酸分别增加了9%和249%。因此，电渗析处理可以很好的模拟降雨淋溶作用而导致的土壤自然酸化过程，使土壤和硅酸盐矿物短期内强烈酸化。
Claims (2)
1.一种模拟土壤自然酸化的方法，其特征在于步骤为：将待酸化的土壤样品置于去离子水中超声分散均匀，然后放入电渗析器的中间室，中间室与两个边室分别用玻璃纸隔开；两个边室分别装蒸馏水，并分别放入铂金电极和铜电极，用导线将边室连接到直流稳压电源的正、负极上，调节稳压电源使两电极间的电压梯度保持在7.5-15.0V/cm，搅拌样品同时不断用蒸馏水更新边室中的溶液，并测定与电源负极相连的边室溶液的电导，当电导数值稳定且与蒸馏水的电导接近时，电渗析完全；取出样品，烘干得到强烈酸化的土壤。
2.根据权利要求1所述的模拟土壤自然酸化的方法，其特征在于电压梯度为15.0V/cm。
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| JP特开平5-204097A 1993.08.13 |
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