Chương V keo ðẤt và khả NĂng hấp phụ CỦA ÐẤT

Chương V

KEO ÐẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA ÐẤT

1. Keo đất

1.1. Khái niệm

Trong đất có keo vô cơ, keo hữu cơ và keo phức tạp hữu cơ- vô cơ. Những keo vô cơ được tạo thành do tác dụng phong hoá đá hoặc do sự ngưng tụ các phân tử trong dung dịch, keo hữu cơ tạo thành do quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất. Keo vô cơ kết hợp với keo hữu cơ thành keo hữu cơ - vô cơ.

Cấu tạo chung của keo đất (hình 5.1) như sau: phần trong cùng của hạt keo (mixen keo) là nhân keo, đó là một hợp chất phức tạp có cấu tạo vô định hình hoặc tinh thể. Thông thường keo vô cơ có nhân là axit silisic, nhôm silicat, oxyt sắt, oxyt nhôm... Keo vô cơ bền, nó chỉ bị phá huỷ sau một thời gian dài. Keo hữu cơ có nhân là axit humic, axit fulvic, prôtit hoặc cenlulo. Keo hữu cơ kém bền, nó có thể bị phá huỷ rồi lại tạo thành ngay từ các sản phẩm phân giải xác động vật, thực vật.

Hình 5.1. Sơ đồ cấu tạo mixen keo (theo N.I. Gorbunov)
Theo Gorbunov keo đất có cấu tạo như sau: trong cùng là nhân keo, trên mặt nhân keo có lớp điện kép, lớp nằm sát hạt nhân gọi là lớp ion quyết định thế, lớp ion ngoài mang điện trái dấu gọi là lớp ion bù. Ða số ion của lớp ion bù nằm sát lớp ion quyết định thế gọi là tầng ion không di chuyển, những ion còn lại nằm xa cách tầng ion quyết định thế làm thành tầng ion khuếch tán.

Ða số keo đất có lớp ion quyết định thế mang điện âm. Ðiều cần lưu ý là trong đất những ion trên lớp điện bù có thể trao đổi với những ion trong dung dịch tiếp xúc với nó nên gọi là "tầng ion trao đổi". Tổng số cation trên tầng ion trao đổi tính bằng số ly đương lượng gam (meq) trong 100 gam đất khô gọi là dung tích hấp phụ của đất.

Keo đất giữ vai trò rất quan trọng vì chúng quyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá hoc, đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất. Bởi vậy những lý luận về keo được vận dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân loại đất, cải tạo đất và bón phân cho đất.

1.2. Ðặc tính cơ bản của keo đất

a. Keo đất có tỷ diện lớn

b. Keo đất có năng lượng bề mặt

c. Keo đất có mang điện

d. Keo đất có tác dụng ngưng tụ

Song trong thiên nhiên lại có cả quá trình ngưng tụ, nghĩa là quá trình biến sol thành gel. Quá trình này chỉ xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy. Sự ngưng tụ keo có thể do những nguyên nhân chính sau:

+ Keo ngưng tụ do tác dụng của chất điện giải: đây là nguyên nhân chủ yếu. Ion chất điện giải tiếp xúc với hạt keo, điện của keo sẽ bị trung hoà bởi ion mang điện trái dấu. Ta biết, đa số keo đất mang điện âm nên nói chung chúng bị ngưng tụ do có cation trong dung dịch đất. Do chất điện giải là một muối, các ion của muối này hydrat hoá lấy nước của hạt keo, làm giảm bề dày màng nước giúp cho chúng có thể gần nhau; mặt khác ion muối ngăn cản khả năng điện phân của các cation trao đổi làm giảm điện thế zeta. Cả 2 nguyên nhân đó dẫn tới hiện tượng keo đất liên kết với nhau mà ngưng tụ. Hoá trị của cation càng cao thì sức ngưng tụ keo càng mạnh. Nghiên cứu sự ngưng tụ keo sét Gedroiz thấy rằng sức ngưng tụ của cation hoá trị 2 lớn gấp 25 lần cation hoá trị 1, cation hoá trị 3 gấp 10 lần cation hoá trị 2 (bảng 5.2). Các cation hoá trị 1 như Na⁺, K⁺, H⁺ có tác dụng ngưng tụ nhưng không bền, khi chất điện giải trong dung dịch bị rửa trôi thì xảy ra hiện tượng tán keo.

Bảng 5.2. Sự ngưng tụ keo sét phụ thuộc hoá trị chất điện giải

+ Keo ngưng tụ do hiện tượng mất nước: tuỳ khả năng giữ nước người ta chia keo thành keo ưa nước và keo ghét nước. Keo ưa nước trên bề mặt có những phân tử nước hoặc chất lỏng như dung dịch đất. Những keo ưa nước như gelatin, axit silicic, nhựa cây, một vài chất hữu cơ trong đất, một số keo sét... Keo ghét nước như hydroxít sắt, kaolinit... Chúng không có màng nước xung quanh nên dễ ngưng tụ, chỉ cần dùng dung dịch muối nồng độ thấp. Trái lại các keo ưa nước chỉ ngưng tụ trong trường hợp chất điện giải ở nồng độ cao. Những lúc thời tiết hanh khô hoặc hạn hán kéo dài làm cho đất khô thì keo ưa nước cũng có thể ngưng tụ do màng nước quanh nó bị mất.

+ Keo ngưng tụ do sự liên kết hai hạt keo mang điện trái dấu

Như trên đã nói, đa số keo đất mang điện âm. Tuy nhiên vẫn gặp một số keo mang điện dương như keo Fe(OH)₃, Al(OH)₃, khi keo âm và keo dương kết hợp với nhau, sau lúc trung hoà điện tạo thành gel hỗn hợp. Nếu số lượng keo âm nhiều gấp bội keo dương thì các keo âm bao bọc keo dương tạo thành màng bảo vệ mang điện âm, kết quả lại tạo thành sol. 

1.3. Phân loại keo đất

a. Dựa vào tính mang điện

+ Keo âm (asidoit)

Trên mặt nhân keo mang điện âm hay nói cách khác là lớp ion quyết định thế là những anion. Các ion trên lớp điện bù là H⁺ hoặc các cation khác. Ký hiệu keo âm là X-H. Trong đất, keo âm chiếm đa số. Thường gặp là axit silicic, axit humic, keo sét...Ví dụ cấu tạo keo axit silicic như hình 5.2. Phân tử axit silicic trên bề mặt hạt nhân phân ly thành các ion:

H₂SiO₃ = 2H⁺ + SiO₃^2-

Anion SiO₃^2- được hấp phụ ngay trên bề mặt hạt nhân làm thành tầng ion quyết định thế. H⁺ là ion bù phân phối ở tầng ion không di chuyển và khuếch tán

Hình 5.2. Sơ đồ cấu tạo keo âm (theo Gorbunov)
+ Keo dương (Basidoit)

Trên lớp ion quyết định thế hiệu là các cation, còn ở lớp điện bù là ion OH^- và các anion khác. Ký hiệu keo dương là X-OH. Các keo dương thường gặp trong đất là Fe(OH)₃, Al(OH)₃ (trong môi trường axit). Cũng có thể là kaolinit do quá trình ion hoá tạo thành keo dương:

...O₃SiO₂(OH)Al₂(OH)₃ D [...O₃SiO₂(OH)Al₂(OH)₂]⁺ + OH^-

Ví dụ cấu tạo keo Fe(OH)₃ (hình 5.3)

FeCl₃ + 3H₂O D Fe(OH)₃ + 3HCl

Hạt nhân keo tạo nên do nhiều phân tử Fe(OH)₃. Những phân tử Fe(OH)₃ trên bề mặt hạt nhân phản ứng với HCl tạo thành FeOCl:

Fe(OH)₃ + HCl D FeOCl + H₂O

FeOCl là chất điện giải nên ion hoá:

FeOCl D FeO⁺ + Cl^-

Cation FeO⁺ được hấp phụ ngay trên bề mặt hạt nhân làm thành lớp ion quyết định thế. Các anion Cl^- được phân bố ở tầng ion trao đổi.

+ Keo lưỡng tính (Ampholitoit)

Keo này mang điện âm hay dương phụ thuộc vào phản ứng của môi trường xung quanh. Các ion trao đổi có thể là H⁺, OH^- hoặc các ion khác. Ký hiệu keo này là X-O-H. Các keo lưỡng tính trong đất thường gặp là Fe(OH)₃, Al(OH)₃,... Ví dụ: đối với keo Fe(OH)₃, khi pH< 7,1 biểu hiện keo dương, nhưng khi pH > 7,1 biểu hiện keo âm (keo này có điểm đẳng điện tại pH=7,1):

Fe(OH)₃ + HCl  Fe(OH)₂⁺ + Cl^- +H₂O (keo dương)

Fe(OH)₃ + NaOH  Fe(OH)₂O^- + Na⁺ + H₂O (keo âm)

Ðối với keo Al(OH)₃ khi pH < 8,1 biểu hiện keo dương, khi pH >8,1 là keo âm (điểm đẳng điện của keo tại pH=8,1):

Al(OH)₃ + HCl  Al(OH)₂⁺ + Cl^- + H₂O (keo dương)

Al(OH)₃ + NaOH  Al(OH)₂O^- + Na⁺ + H₂O (keo âm)

b. Dựa vào thành phần hoá học

+ Keo hữu cơ

Keo hữu cơ tạo thành do sự biến hoá xác sinh vật trong đất. Nói chung lớp đất mặt chứa nhiều keo hữu cơ hơn các lớp dưới. Các keo hữu cơ thường gặp là axit humic, axit fulvic, lignin, protit, xellulo, nhựa và các hợp chất hữu cơ phức tạp khác. Những nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên keo hữu cơ là C, H, O, N, S, P và một lượng nhỏ Na, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si... Ví dụ cấu tạo keo axit humic (hình 5.4)

Hình 5.4. Sơ đồ cấu tạo keo axit humic (theo Gorbunov)
+ Keo vô cơ (keo khoáng)

Chủ yếu là keo nhôm silicat được hình thành do kết quả phá huỷ đá và khoáng vật tạo thành. Thành phần hoá học của keo này gồm:

SiO₂ = 40% - 60%

Al₂O₃ = 10% - 25%

Fe₂O₃ = 5% - 10%

và một ít Ca, Mg, Ti, Mn, K, Na, P, S cùng các nguyên tố vi lượng như B, Zn, Mo, Cu... Tỷ lệ các nguyên tố ấy phụ thuộc đá mẹ, điều kiện hình thành, khí hậu, thời gian, thực bì, vi sinh vật... Ví dụ cấu tạo keo nhôm silicat (hình 5.5)

+ Keo hữu cơ-vô cơ

Các keo hữu cơ ít ở trạng thái tự do mà thường liên kết chặt với các chất khoáng hoặc các keo vô cơ tạo thành keo hữu cơ-vô cơ phức tạp. Theo L.N. Alexandrova các hợp chất hữu cơ vô cơ trong đất được chia thành 3 nhóm: các muối dị cực, các muối phức dị cực và các phức chất hấp phụ.

Hình 5.5. Sơ đồ cấu tạo keo nhôm silicat (theo Gorbunov)

- Muối dị cực (muối đơn giản): khi các axit mùn phản ứng với phần vô cơ của đất tạo thành các muối dị cực hay các humat hoặc fulvat. Các muối này có công thức cấu tạo chung như sau:


trong đó: Me là Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.... Các muối dị cực cũng có thể được hình thành do sự tương tác giữa các axit mùn với các khoáng vật sét qua cầu nối canxi có cấu tạo như sau:

Các humat canxi không tan có thể kết tủa và hình thành các màng trên bề mặt các hạt keo.

- Muối phức dị cực được hình thành do phản ứng giữa các ion sắt, nhôm với axit mùn để hình thành muối phức, trong muối này kim loại tham gia vào phần anion của phân tử. Hợp chất phức này vẫn còn các nhóm cacboxyl và nhóm hydroxyl phenol tự do, các nhóm này có thể tiếp tục phản ứng với phần vô cơ của đất để tạo thành các muối dị cực đơn giản. L.N. Alexandrova gọi những hợp chất có bản chất kép như vậy là muối phức dị cực. Muối này có cấu tạo như sau:

- Phức chất hấp phụ là các sản phẩm của sự tương tác giữa các chất mùn với các khoáng vật dạng tinh thể hoặc vô định hình của đất hoặc các sản phẩm hữu cơ vô cơ hấp phụ các chất mùn bằng phần vô cơ. Các phức hệ sét mùn cũng là phức chất hấp phụ. Ðại diện cho các phức hấp phụ trong đất là phức mùn với nhôm và sắt (a), phức mùn silic (b) và phức hệ sét mùn (c)

(c) Phức hệ sét mùn

1.4. Các loại keo sét trong đất

Các keo sét thuộc loại keo vô cơ, là các khoáng vật thứ sinh alumin silicat, được hình thành do sự biến đổi từ các khoáng vật nguyên sinh trong quá trình phong hoá hình thành đất, phân bố rộng rãi trong các loại đất. Các khoáng vật này là thành phần chủ yếu của cấp hạt sét vì vậy chúng được gọi là các khoáng vật sét. chúng được phân biệt với nhau bởi mức độ phân tán cao, không tan trong nước

Trong đất có nhiều loại keo sét, nhưng trong chúng có vai trò quan trọng nhất là các keo sét nhóm kaolinit, montmorilonit và hydromica

a. Ðặc điểm chung của keo sét

Ðặc điểm chung của các keo sét là chúng có cấu tạo lớp giống như mica và sự thay thế đồng hình.

+ Cấu tạo lớp của keo sét được tạo thành do sự liên kết của phiến khối tứ diện (bốn mặt) oxit silic và phiến khối bát diện (tám mặt) gipxit.

- Phiến oxit silic được tạo thành do sự gắn liền các khối tứ diện oxit silic với nhau. Mỗi khối tứ diện ở chính giữa là một nguyên tử silic, bốn đỉnh là bốn nguyên tử oxi. Như thế thì khi ghép thành phiến hai bên là hai lớp oxi, giữa là lớp silic,

- Phiến gipxit: phiến này được tạo thành do sự gắn liền các khối bát diện với nhau. Mỗi khối bát diện chính giữa có một nguyên tử Al, xung quanh có 6 oxi hay 6 OH^- hoặc vừa oxi vừa OH^- (hình 5.6).

+ Hiện tượng thay thế đồng hình

- Ở một số khoáng vật, trong đó có các khoáng vật sét (keo sét) có hiện tượng một số nguyên tố trong mạng lưới tinh thể của chúng có thể bị các nguyên tố khác ở bên ngoài vào thay thế. Sự thay thế này không làm thay đổi hình dạng của khoáng vật mà chỉ thay đổi tính chất. Vì thế gọi là hiện tượng thay thế đồng hình.

 




Hình 5.6. Sơ đồ cấu tạo khối tứ diện oxit silic, phiến oxit silic và khối bát diện, phiến gipxit
- Ðiều kiện quan trọng của sự thay thế là: 2 ion muốn thay thế nhau phải có bán kính tương đương, Ví dụ Al³⁺ trong tinh thể có bán kính R = 0,57 Ǻ có thể bị Fe³⁺ có R = 0,67 Ǻ thay thế chứ không thể bị Li⁺ có R = 1,22 Ǻ thay thế. Sự thay thế này xảy ra phổ biến ở một số keo sét, ví dụ trong khối tứ diện oxit silic: Si⁴⁺ thường bị Al³⁺ thế, có trường hợp Mn³⁺ hoặc P⁵⁺ thay thế Si⁴⁺ song rất ít; trong khối bát diện Al³⁺ bị Mg²⁺ hoặc Fe²⁺ thế.

- Ðặc điểm của sự thay thế là: nếu hoá trị của 2 ion thay thế tương đương nhau thì không những không thấy điểm gì khác trên tinh thể mà còn làm cho khoáng vật trung hoà điện. Nếu hóa trị của chúng chênh lệch nhau thì khoáng vật mang điện âm hoặc dương. Ví dụ Al³⁺ thế cho Si⁴⁺ thì khoáng vật mang điện âm, P⁵⁺ thế cho Si⁴⁺ khoáng vật mang điện dương. Hiện tượng thay thế đồng hình thường gặp ở keo sét là Al³⁺ thế Si⁴⁺ hoặc Mg²⁺ thế Al³⁺ vì vậy keo sét mang điện âm có thể hấp phụ cation.

b. Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính

+ Nhóm kaolinit:

- Nhóm này gồm keo kaolinit và haluzit, metahaluazit, dikkit và nakrit.

- Cấu trúc tinh thể loại hình 1:1, mỗi lớp tinh thể (tinh tầng) gồm một phiến oxit silic và một phiến gipxit. Những lớp tinh thể như vậy chồng xếp lên nhau, giữa chúng có các khe hở làm cho kaolinit có cấu trúc lớp (hình 5.7).

- Theo hình vẽ cấu trúc của kaolinit, nhân cơ bản của mạng lưới tinh thể keo trung hoà về điện và có công thức tương ứng là Al₂Si₂O₅(OH)₄, nhưng bề mặt sườn lộ trần khi phá huỷ có hoá trị không bão hoà gây ra sự hấp phụ các ion từ môi trường xung quanh. Haluazit khác với kaolinit bởi sự tồn tại của nước trong mạng lưới tinh thể, cấu trúc của nó phù hợp với công thức Al₂Si₂O₅(OH)₄.2H₂O. Haluazit khi bị hydrat hoá sẽ biến thành metahaluazit Al₂Si₂O₅(OH)₄.4H₂O. Dikkit và nakrit khác với kaolinit bởi các góc lệch của từng paket.Tỷ lệ Si:Al = 1:1

- Khoảng cách giữa các paket không đổi và bằng 7,2 Ǻ.

- Rất ít hoặc không có hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể.

- Lực liên kết giữa các lớp tinh thể tầng trong kaolinit rất chặt nên không thể co giãn để mở rộng khe hở hút nước và không có khả năng trương.

- Do các đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ của kaolinit thường thấp (CEC = 5 - 15 lđl/100g keo). Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo nhóm kaolinit thì tính giữ phân và giữ nước kém.

Hình 5.7. Sơ đồ cấu trúc kaolinit
+ Nhóm montmorilonit

- Nhóm này gồm keo montmorilonit, baydenlit và nontronit.

- Cấu trúc tinh thể loại hình 2:1, nghĩa là mỗi lớp tinh thể gồm 2 phiến oxit silic nằm ở 2 bên và một phiến gipxit ở giữa (hình 5.8).

- Cấu trúc của montmorilonit phù hợp với công thức Al₂Si₄O₁₀(OH)₂.nH₂O. Baydelit khác với montmorilonit ở chỗ, 1 trong 4 ion Si⁴⁺ của lớp khối tứ diện oxit silic bị thay thế bằng Al³⁺, điện tích âm dư thừa được bù bằng cách thay thế 1 trong các ion oxi bằng nhóm hidroxyl. Baydelit có công thức là: Al₃Si₃O₉(OH)₃.nH₂O. Còn nontronit, trong các khối bát diện của nó, ion Al³⁺ hoàn toàn được thay thế bằng ion Fe³⁺. Nontronit có công thức: (Al,Fe)₂Si₄O₁₀(OH)₂.nH₂O. Tỷ lệ Si: Al (hoặc Fe) = 2: 1.

- Khác với kaolinit, khoảng cách giữa các paket của montmorilonit thay đổi rất mạnh từ 9,6 đến 28,4 Å, phụ thuộc vào lượng nước được hút vào khe hở giữa các paket. Khi hút nước keo sét montmorilonit trương ra.

- Hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra phổ biến: Al³⁺ thay thế Si⁴⁺ trong khối tứ diện của phiến oxyt silic, Mg²⁺ hoặc Fe²⁺ thế Al³⁺ trong khối bát diện của phiến gipxit. Kết quả là keo mang điện âm có thể hấp phụ cation.

- Lực liên kết giữa các lớp tinh thể của montmorilonit kém chặt nên có thể giãn nở khi hút thêm nước và cation.

- Do những đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ cation của nhóm keo này rất cao (CEC = 80 - 150 lđl/100 g keo). Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo đất nhóm montmorilonit thì tính giữ phân và nước khá cao.

Hình 5.8. Sơ đồ cấu trúc montmorilonit
+ Nhóm hydromica

- Chiếm một lượng lớn trong số các keo sét của đất, bao gồm các loại sau: hydro mica trắng (hydromuscovit hoặc illit), hydro mica đen (hydrobiotit)và các dạng khác của mica bị hydrat hoá

- Hydromica có cấu trúc loại hình 2:1 tương tự montmorilonit (hình 5.9)

- Công thức của hydromuscovit KAl₂(Al.Si₃O₁₀)(OH)₂.

Hình 5.9. Sơ đồ cấu trúc của hydromica
- Khoảng cách giữa các paket không đổi và bằng 10 Ǻ.

- Có hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể, chủ yếu là sự thay thế của Si⁴⁺ trong phiến khối tứ diện bằng ion Al³⁺, kết quả làm cho nó mang điện âm có thể hấp phụ cation đặc biệt là K⁺ phân bố ở khe hở giữa các paket.

- Do lực liên kết giữa các lớp tinh thể khá bền vững vì vậy keo thường có tính trương thấp và khả năng hấp phụ không cao.

- Khả năng hấp phụ của hydromica khoảng 20 - 40 lđl/100 g keo.

+ Trong đất cũng thường gặp vermiculit gần giống hydromica, giữa các paket của mạng lưới tinh thể của keo này tồn tại lớp kép các phân tử nước bao quanh các kim loại, thường là Mg. Vermiculit là magiealuminsilicat, Mg có trong các khối bát diện. Trong các khối bát diện Mg²⁺ có thể được thay thế bằng Fe²⁺, còn trong các khối tứ diện Si⁴⁺ được thay thế bằng Al³⁺. Công thức tổng quát của vermiculit như sau: (Mg²⁺,Fe²⁺)₃(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂.4(H₂O). Vermiculit có dung tích hấp phụ khá cao, CEC của nó dao động từ 60 - 150lđl/100 g keo.

Trong đất còn gặp các keo dạng lớp hỗn hợp. Trong mạng lưới tinh thể của chúng xen kẽ các lớp khối bát diện của các khoáng vật khác nhau: montmorilonit với illit, kaolinit với muscovit, vermiculit với clorit...

c. Keo sét trong đất Việt Nam

Qua các kết quả nghiên cứu thành phần keo sét trong đất Việt Nam của các tác giả: Phạm Gia Tu, Nguyễn Vi và Trần Khải, Cao Liêm, Ðào Châu Thu, Nguyễn Hữu Thành... bằng phương pháp hoá học, phương pháp quang phổ, phương pháp nhiệt, phương pháp quang tuyến X và phương pháp hiển vi điện tử có thể khái quát về sự phân bố của chúng như sau:

+ Ðối với đất vùng đồi núi: keo sét chủ yếu trong các loại đất của vùng này là keo kaolinit, gơtit và gipxit, ngoài ra tuỳ theo loại đất có thể gặp các loại keo sét: hydromica (đất đỏ vàng trên đá granit, đất feralit mùn trên núi trên đá philit, đất đen trên đá vôi...), montmorilonit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt), vermiculit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt, đất feralit mùn trên philit).

+ Ðối với đất đồng bằng: keo sét chủ yếu của các loại đất vùng đồng bằng là kaolinit và hydromica. Vermiculit gặp ở các đất phù sa trung tính ít chua, đất mặn trung tính, đất phèn, đất cát biển. Ngoài ra có thể gặp gipxit (đất phù sa chua, đất bạc màu, đất cát biển) và gơtít (đất bạc màu).

 

tải về 188.02 Kb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: