TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn quang huy
Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu
tải về 388.35 Kb.
|
- Điều hướng trang này:
- 3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu
- 3.3.2. Ảnh hưởng của cation
- 3.3.3. Ảnh hưởng của anion
- 3.3.4. Ảnh hưởng của axit humic
3.2. Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứuKết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với cấp hạt sét tách ra từ mẫu đất tầng 0 ÷ 25 cm cho thấy khoáng sét trong đất khá phức tạp với thành phần chủ yếu gồm: illit, kaolinit, clorit (hình 10). Khoáng kaolinit được xác định bởi các hiệu ứng ở 0,7 và 0,3 nm. Khoáng này không bền nhiệt và khi xử lý ở nhiệt độ cao, sự mất nước sẽ làm cấu trúc lớp của kaolinit bị phá hủy. Trong tất cả các nhiễu xạ đồ trên, các hiệu ứng ở 0,7 và 0,3 nm đều bị mất đi khi mẫu được bão hòa K+ và xử lý tại 550oC, như vậy có thể khẳng định trong mẫu đất có sự hiện diện của kaolinit. Hiệu ứng ~1,4 nm cho biết thành phần khoáng có thể bao gồm các nhóm 2:1 (smectit, vermiculit) hay 2:1:1 (clorit). Khi solvat hóa mẫu với ethylen glycol không cho thấy sự dịch chuyển của hiệu ứng 1,4 nm lên giá trị cao hơn trên nhiễu xạ đồ, do đó có thể khẳng định trong mẫu đất không có sự hiện diện của khoáng trương nở (smectit). Các hiệu ứng ở 1,4 và 0,4 nm cho biết trong mẫu nghiên cứu có thể có vermiculit hoặc clorit. Việc nhận biết vermiculit dựa vào sự giảm cường độ của hiệu ứng 1,4 nm và sự tăng lên tương ứng của đỉnh 1,0 nm khi mẫu bão hòa K+ so với mẫu bão hòa Mg2+. Trong mẫu đất nghiên cứu không quan sát thấy hiện tượng này do đó vermiculit cũng không có mặt trong mẫu đất nghiên cứu. 
Hình 10: Nhiễu xạ đồ X-ray của mẫu đất nghiên cứu (độ sâu 0 – 25 cm) a) bão hòa Mg kết hợp xử lý với ethylenglycol; b) bão hòa trong Mg; c) bão hòa trong K; d) bão hòa K kết hợp xử lý nhiệt ở 5500C. Clorit là một khoáng khá bền vững và không thay đổi khi xử lý mẫu với các cation hay solvat hóa với ethylen glycol. Xử lý nhiệt có ảnh hưởng nhất định đến các peak nhiễu xạ của khoáng này. Nhiễu xạ đồ hình 10 cho thấy, khi mẫu sét bão hòa K+ và xử lý ở nhiệt độ 550oC, hiệu ứng 1,4 nm bị biến dạng và xuất hiện các hiệu ứng ở lân cận trong khoảng 1,0 ÷ 1,4 nm. Đây là dấu hiệu cho sự có mặt của clorit trong mẫu. Hiệu ứng ở 1,0 và 0,5 nm tương ứng với phản xạ [001] và [002] của khoáng 2:1 không trương nở là illit. Đây là khoáng sét bền vững không bị ảnh hưởng bởi sự bão hòa các cation, solvat hóa với cation hữu cơ hay xử lý mẫu ở nhiệt độ cao (550oC). Nhiễu xạ đồ trên cho thấy cả bốn phương pháp xử lý đều không làm mất đi hiệu ứng 1,0 và 0,5 nm. Do đó có thể khẳng định sự có mặt của illit trong cấp hạt sét Dựa vào cường độ (độ cao) của các hiệu ứng đặc trưng cho từng loại khoáng được phát hiện thấy ở trong mẫu nghiên cứu có thể định hướng một cách tương đối hàm lượng của các loại khoáng này theo thứ tự giảm dần như sau: illit > kaolinit > clorit. Tuy nhiên, các loại khoáng trên (illit, kaolinit và clorit) đều có khả năng hấp phụ kém. Đây là các khoáng có khả năng trương nở và trữ nước kém, chúng đều thuộc nhóm có CEC thấp đặc biệt là kaolinit, có điện tích cấu trúc cao, khả năng hydrat hóa hạn chế, kích thước cấp hạt lớn và bề mặt ít âm điện… nên khả năng phân tán kém. Ngoài ra, thành phần của khoáng sét cũng có vai trò quan trọng đến tính chất cơ lý của đất như TPCG, độ xốp, tính dẻo... các yếu tố này sẽ gây ra những ảnh hưởng tới đặc tính keo sét trong đất. 3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu3.3.1. Ảnh hưởng của pHTrong môi trường axit, bề mặt rìa của khoáng sét tích điện dương thúc đẩy sự hình thành cấu trúc liên kết bề mặt – rìa – bề mặt (Van Olphen, 1977), do đó quá trình tụ keo diễn ra nhanh chóng. Ngược lại, ở pH lớn hơn, quá trình cho proton tại các vị trí bề mặt rìa của khoáng sét làm cho lưới điện tích bề mặt có xu hướng âm điện hơn. Vì vậy các hạt sét có xu hướng đẩy nhau và duy trì trạng thái phân tán trong dung dịch. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng pH dưới đây sẽ chứng minh cho nhận định này. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH đến khả năng phân tán của khoáng sét được tiến hành với các giá trị pH khác nhau trong khoảng 1 – 10. Mẫu được lắng để sau 3h rồi tiến hành đo độ truyền qua (T%). Kết quả được thể hiện rõ trong đồ thị sau: Bảng 5: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của pH
 
Hình 11: Ảnh hưởng của pH lên khả năng phân tán của khoáng sét Kết quả cho thấy trong môi trường có phản ứng axit mạnh (pH 1 – 3) mẫu khoáng sét keo tụ rất nhanh, độ truyền qua T ~ 90%. Nhưng khi ở các giá trị pH > 4 mẫu sét chuyển về trạng thái phân tán (T ~ 1%). Mật độ truyền qua thay đổi rõ rệt trong khoảng pH 3 – 4. Đây là khoảng bước nhảy chuyển trạng thái từ tụ keo sang tán keo (T: 84 – 10%). Khoảng bước nhảy này cũng khá tương đồng với điểm điện chuyển (pH 5 – 5,5) tại đó các vị trí mang điện tích biến thiên trên bề mặt khoáng sét có thể chuyển từ tích điện âm sang tích điện dương hoặc ngược lại (Van Olphen, 1977). Như vậy pH ảnh hưởng tới quá trình tụ keo của khoáng sét theo chiều giảm dần, pH càng cao thì sự phân tán các hạt sét trong dung dịch tăng lên. Điều này có thể giải thích rằng bề mặt âm của khoáng sét (chứa điện tích vĩnh cửu) được cho là tác nhân ảnh hưởng số một đến sự phân tán – keo tụ của khoáng sét. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy phần rìa của khoáng sét (nơi chứa các điện tích biến thiên) cũng có vai trò nhất định đến sự liên kết giữa các đoàn lạp đất. Phần rìa thường chứa các nhóm OH- có khả năng cho, nhận proton tùy thuộc theo điều kiện môi trường (pH). Điện tích của phần rìa này có thể là âm hoặc dương nên được gọi là điện tích biến thiên. Ở môi trường pH chua thì phần rìa này mang điện tích dương. Đây là cơ sở để hình thành nên các liên kết tĩnh điện rìa khoáng sét (dương) và bề mặt khoáng sét (âm). Kết quả là cấu trúc “card house” được tạo thành (Van Olphen, 1977), và tạo sự keo tụ nhanh chóng. Cấu trúc này có vai trò rất quan trọng đối với đặc tính cơ học trong đất trong điều kiện đất có phản ứng axit. 3.3.2. Ảnh hưởng của cationCác cation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chế trung hòa điện tích bề mặt và làm giảm lớp điện kép của các hạt sét. Sự có mặt của các cation sẽ thúc đẩy liên kết giữa các hạt sét trong dung dịch. Cation có hóa trị càng cao thì sự liên kết càng mạnh, điều này giúp cho khoáng sét keo tụ nhanh hơn. Thí nghiệm phân tích ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong dung dịch được tiến hành trong ống nghiệm với sự có mặt của các cation khác nhau (Na+, Ca2+, Al3+) ở các nồng độ khác nhau. Dưới đây là các biểu đồ thể hiện cân bằng tán keo – tụ keo sau 3h dưới ảnh hưởng của các cation. Đường cong biểu diễn tương quan giữa độ truyền qua và nồng độ cation trong dung dịch cân bằng. + Ảnh hưởng của Na+ Bảng 6: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của Na+
Hình 12: Ảnh hưởng của Na+ lên khả năng phân tán của khoáng sét Ảnh hưởng của Na+ tới khả năng phân tán của khoáng sét được thể hiện thông qua kết quả độ truyền qua T%. Ở mức nồng độ thấp (10 – 20 mmolc.L-1) sự ảnh hưởng tới quá trình tụ keo là chưa rõ rệt. Khi nồng độ cation tăng lên (từ 10 – 80 mmolc.L-1) đã thúc đẩy quá trình tụ keo của khoáng sét tăng nhanh biểu hiện ở độ truyền qua thay đổi từ 0,89% - 83%. Như vậy nồng độ Na+ trong dung dịch tỉ lệ thuận với tốc độ keo tụ của khoáng sét. Bước nhảy chuyển trạng thái tán keo sang tụ keo là T: 4,9 – 75,1 % tương ứng với nồng độ Na+ tăng từ 10 – 50 mmolc.L-1. Bước nhảy từ trạng thái tán keo sang tụ keo tương đương với sự cân bằng điện tích phụ chưa cân bằng với điện tích bề mặt sét nên có sự dao động mạnh. Ở ngoài khoảng nhảy các cation gần như được bão hòa với điện tích bề mặt sét nên độ truyền qua không thay đổi rõ rệt, dung dịch gần như cân bằng điện tích. + Ảnh hưởng của Ca2+
Hình 13: Ảnh hưởng của Ca2+ lên khả năng phân tán của khoáng sét Tương tự như với kết quả ảnh hưởng của Na+, sự tụ keo dưới ảnh hưởng của Ca2+ thậm chí còn biểu hiện mạnh hơn khi nồng độ Ca2+ gây ảnh hưởng tương đối thấp (từ 0,25 – 2 mmolc.L-1) độ truyền qua T% tăng mạnh từ 0,71% - 79,8%. Bước nhảy chuyển trạng thái từ tán keo sang tụ keo khá rộng (1,28 – 76,38%) tương ứng với nồng độ Ca2+ tăng từ 0,5 – 1,5 mmolc.L-1. Như vậy sự có mặt của của Ca2+ trong dung dịch đã thúc đẩy quá trình tụ keo của khoáng sét. Nồng độ Ca2+ càng cao thì sự tụ keo càng mạnh. + Ảnh hưởng của Al3+
Hình 14: Ảnh hưởng của Al3+ lên khả năng phân tán của khoáng sét Độ truyền qua xác định được đối với Al3+ là 1,3 – 97,7% tương ứng với nồng độ 0,1 – 0,5 mmolc.L-1. Bước nhảy chuyển trạng thái từ tán keo sang tụ keo khá rõ rệt (4,93 – 96,16%) trong khoảng nồng độ Al3+ từ 0,15 – 0,3 mmolc.L-1. Kết quả ảnh hưởng của Na+, Ca2+ và Al3+ đã chứng minh các cation có hóa trị càng cao thì nồng độ cần thiết gây ra ảnh hưởng tới khả năng phân tán của khoáng sét càng nhỏ (0,15 mmolc.L-1 đối với Al3+; 0,5 mmolc.L-1 với Ca2+ và 20 mmolc.L-1 với Na+) hay nói cách khác sự có mặt của các cation hóa trị cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng tụ keo của khoáng sét lớn hơn và sự ảnh hưởng của các cation khác nhau đến khả năng keo tụ của khoáng sét giảm dần theo thứ tự sau: Al3+ > Ca2+ > Na+. Kết quả này phù hợp với những nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2009) đã chỉ ra (mục 1.3). Kết quả nghiên cứu cũng đã chứng tỏ độ truyền qua tỉ lệ thuận với tốc độ tụ keo của khoáng sét và tỉ lệ thuận với nồng độ các cation được sử dụng trong dung dịch thí nghiệm: T càng lớn Sự keo tụ càng mạnh Nồng độ cation càng lớn. 3.3.3. Ảnh hưởng của anionCác anion được nhìn nhận là một trong những nguyên nhân thúc đẩy sự tán keo. Sự có mặt của các anion làm tăng điện tích âm bề mặt hoặc cạnh tranh hấp phụ vào các vị trí mang điện tích dương trên “bề mặt rìa” điều này làm cho quá trình tán keo càng được thúc đẩy. Các anion hóa trị càng cao thì khả năng cạnh tranh hấp phụ vào bề mặt rìa càng lớn và càng thúc đẩy trạng thái tán keo. Thí nghiệm ảnh hưởng của anion được tiến hành với 3 dung dịch muối NaCl, Na2SO4 và Na3PO4. Dưới đây là đồ thị thể hiện cân bằng tán keo – tụ keo sau 3h của các anion. Đường cong biểu diễn tương quan giữa độ truyền qua và nồng độ anion trong dung dịch cân bằng. + Ảnh hưởng của Cl-
Hình 15: Ảnh hưởng của Cl- lên khả năng phân tán của khoáng sét + Ảnh hưởng của SO42- Bảng 10: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của SO42-
Hình 16: Ảnh hưởng của SO42- lên khả năng phân tán của khoáng sét + Ảnh hưởng của PO43- Bảng 11: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của PO43-
Hình 17: Ảnh hưởng của PO43- lên khả năng phân tán của khoáng sét Quan sát ba đồ thị trên ta thấy xu hướng tụ keo diễn ra ở cả ba thí nghiệm (do ảnh hưởng của Na+ trong dung dịch). Tuy nhiên, sự có mặt của các anion đã hạn chế khả năng tụ keo của khoáng sét, các anion đã cạnh tranh hấp phụ vào bề mặt rìa khoáng sét với Na+, làm giảm tương đối khả năng tụ keo của khoáng sét. Độ truyền qua tối đa trong dung dịch cân bằng giảm dần (83% với Cl-; 73,11% với SO42- và 47,53% với PO43-) theo chiều tăng hóa trị, điều này đồng nghĩa với tốc độ keo tụ của khoáng sét trong dung dịch giảm dần. Kết quả này cũng cho thấy các anion hóa trị càng cao thì khả năng cạnh tranh hấp phụ vào bề mặt rìa càng lớn và càng thúc đẩy quá trình tán keo. Khả năng thúc đẩy trạng thái tán keo dưới ảnh hưởng của anion giảm theo thứ tự sau: PO43- > SO42- > Cl-. 3.3.4. Ảnh hưởng của axit humicCác anion hữu cơ (humat) bị hấp phụ bởi khoáng sét sẽ làm điện tích âm tổng thể của khoáng sét tăng thêm. Kết quả là anion hữu cơ có mặt càng nhiều thì sự tán keo càng được thúc đẩy. Thí nghiệm ảnh hưởng của axit humic (axit humic được hòa tan bằng dung dịch NaOH 0,01M) được tiến hành ở các nồng độ axit humic khác nhau trong dung dịch. Kết quả ảnh hưởng của axit humic tới khả năng phân tán của khoáng sét được trình bày rõ ở bảng dưới đây: Bảng 12: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của axit humic
Sự ảnh hưởng của các anion hữu cơ đến đặc tính keo của khoáng sét được thực hiện với axit humic ở các nồng độ khác nhau trong dung dịch cân bằng. Sau 3h quan sát thí nghiệm tụ keo trong ống nghiệm với sự ảnh hưởng của AH, kết quả cho thấy tốc độ phân tán của khoáng sét tỉ lệ thuận với sự tăng dần của nồng độ AH, tương ứng với khả năng keo tụ giảm dần. Thí nghiệm được tiến hành ở pH = 9. Độ truyền qua T% rất thấp ở tất cả các nồng độ của humat (T < 1,42%). Cụ thể là ở nồng độ AH < 0,1 mg.L1- thì mức độ keo tụ của khoáng sét là lớn nhất, biểu thị ở độ truyền qua lớn nhất (T = 1,42%). Ở nồng độ AH cao hơn (> 0,2 mg.L-1) khả năng phân tán được gia tăng, biểu hiện ở mức độ truyền qua thấp hơn so với nồng độ thấp (T ~ 0,9%). Bước nhảy chuyển trạng thái keo sét là không rõ rệt nhưng vẫn có thể nhận thấy ở mức nồng độ từ 0,1 – 0,2 mg.L-1 tương ứng với độ truyền qua là 1,38 – 0,93%. Như vậy sự có mặt của AH đã thúc đẩy quá trình phân tán của khoáng sét. Trong đất các axit hữu cơ (axit humic…) được biết đến là các keo âm trong đất, vì vậy sự liên kết giữa các axit này với khoáng sét trở lên âm điện hơn dẫn đến các hạt sét bị phân tán mạnh hơn. Bên cạnh đó sự liên kết thành các phức với các cation (vd: Na – axit humic) làm cho nồng độ ion trong dung dịch giảm đi. Đây cũng là lý do dẫn đến các hạt sét phân tán nhiều hơn và làm cho cấu trúc bền chặt của đất giảm đi.
Sự tác động kép giữa pH và AH tới khoáng sét cũng được thể hiện rõ trong thí nghiệm. Tại pH = 9 khoáng sét có khả năng phân tán mạnh do điện tích bề mặt rìa tích điện âm hơn, tuy nhiên nếu không có mặt của AH thì sau 3h quan sát tốc độ keo tụ vẫn được diễn ra. Khi có mặt AH thì tốc độ keo tụ lại diễn ra vừa phụ thuộc vào pH, đồng thời cũng phụ thuộc vào nồng độ của AH. Nếu trong dung dịch pH = 9 nhưng có hàm lượng AH thấp thì sự tụ keo diễn ra (ở mức độ nhỏ), nhưng khi nồng độ tăng lên lại thúc đẩy quá trình tán keo của khoáng sét. Ở pH cao, sự có mặt của AH sẽ tạo liên kết hữu cơ – sét, khi đó các hạt sét tích điện âm nhiều hơn và dễ dàng đẩy nhau tạo ra sự phân tán của khoáng sét trong dung dịch. Hơn thế nồng độ AH càng cao thì lượng điện tích âm tạo ra càng nhiều đồng thời làm giảm pH do đó càng làm tăng quá trình thúc đẩy sự phân tán của khoáng sét. Ở pH thấp, các axit hữu cơ có ưu thế hấp phụ vào các vị trí mang điện tích dương trên phần rìa của khoáng sét tùy thuộc theo mức độ mạnh yếu, cấu tạo mạch cacbon, khối lượng phân tử… Sự hấp phụ lên phần rìa của tinh thể khoáng sét của các annion sẽ cản trở sự hình thành của cấu trúc “card house” (Van Olphen, 1977; Gu và Doner, 1993; Penner và Lagaly, 2001) trong môi trường có phản ứng axit và thúc đẩy sự tán keo. Каталог: files -> ChuaChuyenDoi ChuaChuyenDoi -> ĐẠi học quốc gia hà NỘi trưỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Thị Hương XÂy dựng quy trình quản lý CÁc công trìNH ChuaChuyenDoi -> TS. NguyÔn Lai Thµnh ChuaChuyenDoi -> Luận văn Cao học Người hướng dẫn: ts. Nguyễn Thị Hồng Vân ChuaChuyenDoi -> 1 Một số vấn đề cơ bản về đất đai và sử dụng đất 05 1 Đất đai 05 ChuaChuyenDoi -> Lê Thị Phương XÂy dựng cơ SỞ DỮ liệu sinh học phân tử trong nhận dạng các loàI ĐỘng vật hoang dã phục vụ thực thi pháp luật và nghiên cứU ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Hà Linh ChuaChuyenDoi -> ĐÁnh giá Đa dạng di truyền một số MẪu giống lúa thu thập tại làO ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiêN ChuaChuyenDoi -> TRƯỜng đẠi học khoa học tự nhiên nguyễn Văn Cường tải về 388.35 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
