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非点源污染物细颗粒泥沙的絮凝-分散研究

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非点源污染物细颗粒泥沙的絮凝-分散研究

土壤与环境2000,94322325http//www.environment.soil.gd.cnSoilandEnvironmentalSciencesEmailsessoil.gd.cn基金项目国家自然科学基金项目(59879026)和中国科学院资源与生态环境研究重大项目(KZ951B1211)作者简介陈洪松(1973),男,博士研究生。收稿日期20000713文章编号1008181X200004032204非点源污染物细颗粒泥沙的絮凝分散研究陈洪松,邵明安(中科院、水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100)摘要细颗粒泥沙的絮凝分散对土壤结构的稳定性,土壤中农用化合物的迁移以及侵蚀泥沙的输移、沉积有重要作用。文章概述了影响细颗粒泥沙絮凝分散的几种主要因素电解质种类及其浓度,矿物组成,有机质含量,pH值以及水流紊动等指出了当前研究中存在的不足之处。关键词细颗粒泥沙絮凝分散影响因素非点源污染中图分类号S157.1文献标识码AAReviewontheFactorsInfluencingFlocculationandDeflocculationofFineSedimentasNonpointSourcePollutantsCHENHongsong,SHAOMingan(InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)AbstractFlocculationanddeflocculationoffinesedimentplayanimportantroleinsoilstructuralstability,agrochemicalcompoundsmovementanderodedsedimenttransport.Inthispaper,someinfluencingfactorsforfinesedimentflocculationanddeflocculation,suchasthetypeandconcentrationofelectrolyte,mineralcomposition,organicmattercontent,soilporefluidpHandwaterturbulence,arereviewed.Atthesametime,theweakaspectsofpresentresearcharediscussed.Keywordsfinesedimentflocculationanddeflocculationinfluencingfactorsnonpointsourcepollution随着人类经济活动的不断加剧,以及化肥、农药的大量使用,环境污染问题已引起了国际社会的广泛关注。土壤侵蚀可导致生态环境恶化水环境污染是非点源污染的一种重要形式1。这不但是由于土壤侵蚀带来的泥沙本身就是一种非点源污染物,而且泥沙(尤其是细颗粒泥沙)是有机物、金属、铵离子、磷酸盐以及其它毒性物质的主要携带者,给受纳水体水质带来不良影响。同时,水体中的污染物也以细颗粒泥沙为载体,在水体中不断迁移转化,增加了治理难度。因此,泥沙的控制已成为非点源污染控制的一条重要途径2,3。细颗粒泥沙的絮凝分散对土壤结构的稳定性,土壤中农用化合物的迁移,以及侵蚀泥沙的输移、沉积有重要作用46。本文拟简要介绍细颗粒泥沙絮凝分散的影响因素,以期促进有关问题的深入研究。1絮凝机理一般细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物,其表面常带负电荷。在含有电解质的水中,因电荷的静电引力作用,颗粒吸附阳离子而形成双电层,由吸附层(内层)和扩散层(外层)构成,扩散层和吸附层中的水在颗粒周围形成吸附水膜68。当两个泥沙颗粒互相靠近时,如果颗粒足够细,它们之间将形成公共的吸附水膜,也即有公共的反离子层,尤其是公共的扩散层。由于公共的反离子层中离子的相互吸引,细颗粒泥沙就会彼此凝聚在一起,即发生絮凝。这种吸力的强弱与扩散层的厚薄有密切关系。扩散层愈薄,这种吸力就愈强,颗粒凝结得愈紧。反之,扩散层较厚时,其里面的离子就具有较大的活动性,使颗粒互相分散。扩散层的厚度由扩散层内外界电位差ξ电位决定,ξ电位越小,扩散层厚度越薄,颗粒间吸力就越强。决定ξ电位变化的因素主要有两个6一是泥沙颗粒的矿物成分,另一是水的化学成分。泥沙的矿物成分决定着双电层的形成方式,从而决定水中哪些化学成分对扩散层厚度具有重要作用。水中电解质的性质和浓度直接影响ξ电位和扩散层厚度,因而直接影响细颗粒泥沙的絮凝分散。尽管絮凝分散现象已众所周知,而絮凝机理Vol.9No.4陈洪松等非点源污染物细颗粒泥沙的絮凝分散研究323则不然。它和细颗粒泥沙的物质组成(矿物成分和有机质含量等)以及各种外界条件(水的化学成分以及水流紊动等)密切相关,这些因素互相影响,给絮凝机理的研究带来了很大难度。尤其在动水条件下细颗粒泥沙的絮凝机理,更是处于探索阶段。2絮凝的影响因素如前所述,细颗粒泥沙絮凝分散的影响因素很多。本文主要介绍电解质、细颗粒泥沙矿物组成、有机质含量、土壤水溶液pH值以及水流紊动等对细颗粒泥沙絮凝分散的影响。2.1电解质电解质对细颗粒泥沙絮凝分散的影响,实际上是通过对细颗粒泥沙双电层电位的作用来实现的。当电解质浓度达到絮凝临界浓度(criticalflocculationconcentration,CFC)时,细颗粒泥沙才会发生絮凝7。在没有吸附的情况下,不同价态离子对细颗粒泥沙颗粒絮凝的影响,遵从叔采尔哈迪(SchulzeHardy)法则与颗粒电荷相反的离子的絮凝能力,主要决定于离子价而不是离子种类电荷相同的离子价数或种类的效应只不过是次要的。实际上,电解质的絮凝是正负两种离子综合作用的结果,只有在同性离子吸附作用极少的情况下,异电性离子的作用才是主要的8。一般而言,阳离子的凝聚能力大小顺序为NaKNH4HMg2Ca2Al3Fe3同价离子对细颗粒泥沙絮凝分散的影响与它们的水合离子半径有关,水合离子半径越小,其凝聚能力就越强。但是,它们凝聚能力的相对有效性并不总是一致的。例如,对于Mg2和Ca2,一般认为,在相同溶解浓度下,Ca2比Mg2更易促进细颗粒泥沙絮凝911。但是,也有人12指出,Ca2和Mg2在促进细颗粒泥沙絮凝时具有相同的能力,决定絮凝的是总的电解质浓度,而不是二价交换阳离子类型。这种差异可能是由于细颗粒泥沙有机质含量差异引起的。有机质含量低时,Ca2和Mg2具相同絮凝能力13。当细颗粒泥沙吸附腐殖质后,因Ca2易与腐殖酸结合生成腐殖酸钙沉淀,Ca2比Mg2具有更强的絮凝能力14。多价阳离子有更高的絮凝能力,常显示压缩性双电层,易导致细颗粒泥沙悬液电荷反转,但这与细颗粒泥沙矿物类型和吸附阳离子特性有关7。多价阳离子在悬液中发生水解,因易受pH值影响而作用机制更加复杂。如Al3水解形成AlOH3,低pH值时荷正电,易吸附在荷负电的细颗粒泥沙表面而发生相互絮凝高pH值时荷负电,使悬液趋于稳定。2.2矿物组成影响细颗粒泥沙絮凝分散的最基本因素是其矿物组成,不同类型的矿物和不同矿物组成的土壤,其絮凝分散有较大差异。这种差异反映在细颗粒泥沙矿物的阳离子交换量(CEC)上,不同细颗粒泥沙矿物组的CEC随晶格结构的性质及同晶置换的程度而异。正是由于不同细颗粒泥沙矿物CEC的差异,才导致其絮凝临界浓度CFC的差异。但是,细颗粒泥沙矿物CEC的大小还与有机质含量及土壤水溶液pH值有关,例如,Arora和Coleman15发现,在pH8.3时,细颗粒泥沙矿物CFC的大小次序为伊利石蛭石蒙脱石高岭石。大量研究表明,土壤悬浮液的CFC高出其相应纯矿物的几倍至几十倍9,1518,这可能是由于有机质含量的差别引起的19,20。土壤絮凝特性取决于它们的矿物组成,与纯细颗粒泥沙矿物的絮凝特性很相似15。但Goldberg和Forster16研究表明,在不同的pH和钠吸附比(SAR)下,3种不同矿物组成的土壤,其CFC十分一致,趋势与纯伊利石矿物的十分类似。Frenkel等17也研究发现,相对于细颗粒泥沙矿物组成,土壤结构的稳定性和可蚀性与有机质含量关系更密切。这说明仅仅根据土壤的主要矿物组成来判别土壤的絮凝分散特性是不合理的。因此,我们在研究细颗粒泥沙絮凝分散时,必须综合考虑其矿物组成、有机质含量及土壤水溶液pH值等。2.3有机质含量目前,关于有机质对细颗粒泥沙絮凝分散的影响的研究较多,但其作用机理尚需进一步深入。一些土壤结构模型2123表明,土壤有机质,尤其是腐殖质,对矿物颗粒起胶结作用,但在细颗粒泥沙悬液中却起分散剂的作用。大量研究19,20,24证实,土壤吸附有机质后其稳定性增加,土壤CFC高于相应纯矿物就是由于这一原因。Heil和Sposito18在研究伊利石絮凝时发现,絮凝所需电解质浓度、pH的影响,以及Ca2对Mg2的相对有效性都取决于有机质含量。关于有机质对细颗粒泥沙絮凝分散影响的作用机理,有不少学者作了相关研究。OMelial25认为,矿物颗粒吸附荷负电的有机聚合物,如腐殖质后,其稳定性受静电机制(electrostaticmechanism)和位阻机制(stericmechanism)共同作用,但难以评价两种机制的相对重要性。Kretzschmar等20,Heil和Sposito19则认为细颗粒泥沙吸附腐殖质后,位阻机制起主要作用。土壤与环境Vol.9No.4324Kretzschmar等26进一步研究表明,在低离子强度时,静电机制起主要作用在高离子强度或低pH值时,随着吸附腐殖酸的增加,位阻机制可能起主要作用。2.4pH值pH值影响细颗粒泥沙絮凝分散,主要是影响以可变电荷为主要矿物成分的土壤,以及具羧基功能团的阴离子聚电解质,如腐殖酸。一般当pH值上升时,羟基或羧基有质子离解,使细颗粒泥沙颗粒净负电荷增多,悬液稳定性增强。在pH值较低时,伊利石和蒙脱石的CFC大于高岭石15但pH值较高时,高岭石的CFC大于蒙脱石16,27。这是因为,高岭石的层面总是荷负电,而其边缘当pHPZC时荷负电。Frenkel等17发现,对以高岭石为主的土壤,pH从6.6增至8.5时,其CFC从9mol/cm3增至63mol/cm3,而且Ca2饱和与Na饱和两种情况下的CFC随pH值的变化趋势十分相似。Keren等28发现,对Na饱和的蒙脱石,所需NaCl的CFC也随pH值升高而增大。他们进一步研究发现,当pH9.8时,断键边缘呈负电荷,此时以面面絮凝为主当pH不大于边缘PZC时,以边边或边面絮凝为主。Keren等29研究表明,叶蜡石CFC也随pH值升高而增加,证实了颗粒的相互作用与边缘表面电荷密切相关。如果不存在边缘表面电荷,那么当静电荷为零时,细颗粒泥沙絮凝与悬液电解质浓度无关。Tarchitzky等24系统地研究了在pH值变化的情况下,腐殖质对蒙脱石絮凝分散的影响。对Na饱和的蒙脱石,当腐殖质含量小于10mg/L时,其CFC随pH值(4,6,8)升高而增加当腐殖质含量大于10mg/L时,其CFC随pH值升高只有轻微增加。但当pH10,腐殖质含量小于10mg/L时,CFC与腐殖质含量的增加无关而当腐殖质含量超过10mg/L时,其增加会引起CFC显著增大。对Ca2饱和的蒙脱石,腐殖质含量的增加对CFC没有影响。他们认为,腐殖质对Na饱和蒙脱石悬液稳定性的影响,是腐殖质分子负电荷和细颗粒泥沙边缘表面电荷相互作用的结果,而这又受pH和腐殖质大分子电荷及结构的影响。在纯矿物中,当pH小于边缘PZC时,细颗粒泥沙间以边边和边面两种结合方式为主pH大于边缘PZC时,仅有面面结合方式。矿物吸附腐殖质后,存在两种絮凝机制。pH小于边缘PZC时,荷负电的腐殖质分子吸附到荷正电的蒙脱石边缘表面,使其电荷发生逆转(由正到负)另一种情况是,腐殖质大分子在蒙脱石叠胶中随机分布而发生相互絮凝。2.5水流紊动紊动条件下,细颗粒泥沙絮凝分散十分复杂,它不仅取决于水流与泥沙之间的物理力学作用,而且还与泥沙颗粒表面的电化学性质以及水的化学成分密切相关。一般认为,水流剪切力对泥沙絮凝有双重影响6紊动一方面增加了颗粒碰撞率,促进絮凝另一方面,高剪切速率会破坏粒间连结力,使絮团破碎,因而不利絮凝。水流紊动与絮凝之间的关系还停留在经验性的定性分析上,有待进一步深入探讨和试验验证。3结语细颗粒泥沙絮凝分散的影响因素很多,国内外对此进行了大量研究。但以前的研究主要针对胶体而言,对细颗粒泥沙絮凝分散的研究相对较少。而且,有些问题,例如,有机质对细颗粒泥沙絮凝分散的作用机理,Ca2和Mg2絮凝能力的相对有效性,以及水流紊动对细颗粒泥沙絮凝分散的影响,还需进一步深入研究。综合研究细颗粒泥沙絮凝分散的影响因素,对防治水土流失和由此产生的非点源污染具有重要意义。参考文献1李清河,李昌哲,孙保平.土壤侵蚀与非点源污染控制J.水土保持通报,1999,1945457.2杨爱玲,朱颜明.地表水环境沸点员污染研究J.环境科学进展,1999,756167.3黄岁木梁,ONYXWHW.水环境污染物迁移转化研究与泥沙运动J.水科学进展,1998,2205210.4MILLERWP,BAHARUDDINMK.RelationshipofsoildispersibilitytoinfiltrationanderosionofsoutheasternsoilsJ.SoilSci,1986,142235240.5MCCARTHYJF,ZacharaJM.SubsurfacetransportofcontaminantsJ.EnvironSciTechnol,1989,23496502.6钱宁,万兆惠.泥沙运动力学M.北京科学出版社,1983.15.7奥尔芬.粘土胶体化学导论M.许冀泉等译.北京农业出版社,1982.8尚仰震.物理化学与胶体化学M.成都四川科学技术出版社,1986.435.9RENGASAMYP.ClaydispersioninrelationtochangesinelectrolytecompositionofdialysedredbrownearthsJ.JSoilSci,1983,34723732.10ALIOM,RHOADESJD,NOAMANKI.Claydispersioncharacteristicsofaridlandsoilsasinfluencedbyexchangeablecationcomposition,electrolyteconcentration,andclaymineralogyJ.EgyptJSoilSci,1987,27223234.11YOUSAFM,ALIOM,RHOADESJD.Dispersionofclayfromsomesaltaffected,aridlandsoilaggregatesJ.SoilSciSocAmJ,1987,51920924.Vol.9No.4陈洪松等非点源污染物细颗粒泥沙的絮凝分散研究32512THELLIERC,SPOSITOG.InfluenceofElectrolyteConcentrationandExchangeableCationontheFlocculationofSillverHillIlliteJ.SoilSciScoAmJ,1989,53711715.13FEIGENBAUMS,BARTELA,etal.BinaryandternaryexchangeofpotassiumoncalcareousmontmorilloniticsoilsJ.SoilSciSocAmJ,1991,554955.14OngHL,BisqueRE.CoagulationofhumiccolloidsbymetalionsJ.SoilSci,1968,106220224.15ARORAHS,COLEMANNT.TheinfluenceofelectrolyteconcentrationonflocculationofclaysuspensionsJ.SoilSci,1979,127134139.16GOLDBERGS,FORSTERHS.FolcculationofreferenceclaysandaridzonesoilclaysJ.SoilSciSocAmJ,1990,54714718.17FRENKELH,FEYMV,LEVYGJ.OrganicandinorganicanioneffectsonreferenceandsoilclaycriticalflocculationconcentrationJ.SoilSciSocAmJ,1992,5617621766.18HEILD,SPOSITOG.OrganicmatterroleinilliticsoilcolloidsflocculationⅠ.CounterionsandpHJ.SoilSciSocAmJ,1993,5712411246.19HEILD,SPOSITOG.OrganicmatterroleinilliticsoilcolloidsflocculationⅡ.SurfacechargeJ.SoilSciSocAmJ,1993,5712461253.20KRETZSCHMARR,ROBARGEWP,WEEDSB.FlocculationofkaoliniticsoilclaysEffectsofhumicsubstancesandironoxidesJ.SoilSciSocAmJ,1993,5712771283.21EMERSONWW.ThestructureofsoilcrumbsJ.JSoilSci,1959,10235144.22EDWARDSAP,BREMNERJM.MicroaggregatesinsoilsJ.JSoilSci,1967,186473.23TISDALLJM,OADESJM.OrganicmatterandwaterstablaeaggregatesinsoilsJ.JSoilSci,1982,33141163.24TARCHITZKYJ,CHENY,BANINA.HumicsubstancesandpHeffectsonsodiumandcalciummontmoriilloniteflocculationanddispersionJ.SoilSci.SocAmJ,1993,57367372.25OMELIACR.ParticlesparticleinteractionsinaquaticsystemsJ.ColloidsSurf,1989,39255271.26KRETZSCHMARR,HESTERBERGD,STICHERH.EffectsofadsorbedhumicacidsonsurfacechargeandflocculationofkaoliniteJ.SoilSciSocAmJ,1997,61101108.27GOLDBERGS,GLAUBIGRA.Effectsofsaturatingcations,pH,andaluminumandironoxidesontheflocculationofkaoliniteandmontmorilloniteJ.ClaysClayMiner,1987,35220227.28KERENR.Rheologyofaqueoussuspensionsofsodium/calciummontmorilloniteJ.SoilSciSocAmJ,1988,52924928.29KERENR,SPARKSDL.Theroleofedgesurfacesinflocculationof21claymineralsJ.SoilSciSocAmJ,1995,59430435.

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