專利名稱：一種模擬土壤自然酸化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土壤退化與調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在直流電場作用下模擬土壤自然酸化過程使硅酸鹽礦物和土壤在短期內(nèi)達到強酸化狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
我國熱帶、亞熱帶地區(qū)分布著大面積的酸性紅壤，酸化是影響該類土壤的生態(tài)環(huán)境健康和可持續(xù)發(fā)展的重要障礙因子。強烈的自然淋溶作用造成土壤中交換性鹽基陽離子 (Ca2+、Mg2+、K+和Na+)的大量淋失，土壤溶液中的水、碳酸等解離出氫離子占據(jù)土壤表面陽離子交換位，并很快發(fā)生氫鋁轉(zhuǎn)化，使土壤不斷被交換性鋁飽和，交換性鋁的水解是土壤酸度的本質(zhì)，這一過程是導致熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤自然酸化的根本原因。而這一酸化過程短期內(nèi)很難顯現(xiàn)出來，而是需要成千上萬年的地質(zhì)時間。因此，目前研究土壤自然酸化過程時， 為在短期內(nèi)使土壤達到強酸化狀態(tài)，常采用強酸淋洗或鋁鹽飽和的方法使土壤酸化和鋁飽和，但強酸淋洗對土壤黏土礦物有不同程度的溶解和破壞作用，而鋁鹽飽和的方法則會帶入大量的鹽分，且難以去除，均不能很好地模擬土壤的自然酸化過程中鹽分逐漸降低、由交換性氫發(fā)生氫鋁轉(zhuǎn)化而使交換性鋁逐漸增加的過程，這將不利于對土壤自然酸化機理的深入研究。電滲析利用半透膜的選擇透過性來分離不同的溶質(zhì)粒子(如離子)的方法稱為滲析。電滲析器由陽極室、中間室及陰極室三室組成。在電場作用下進行滲析時，溶液中的帶電的溶質(zhì)粒子(如離子)通過膜而遷移的現(xiàn)象稱為電滲析。利用電滲析進行提純和分離物質(zhì)的技術(shù)稱為電滲析法，它是20世紀50年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，最初用于海水淡化，現(xiàn)在廣泛用于化工、輕工、冶金、造紙、醫(yī)藥工業(yè)，尤以制備純水和在環(huán)境保護中處理三廢最受重視，例如用于酸堿回收、電鍍廢液處理以及從工業(yè)廢水中回收有用物質(zhì)等。

發(fā)明內(nèi)容
解決的技術(shù)問題本發(fā)明主要是針對目前研究熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤自然酸化過程常采用強酸淋洗或鋁鹽飽和的方法，均不能很好地模擬雨水強烈淋溶作用而導致的自然酸化過程；而實際的自然酸化過程又是非常緩慢的問題。本發(fā)明的目的是提供一種在直流電場作用下的電滲析處理，充分利用直流電場能加速硅酸鹽礦物和土壤中可溶性和交換態(tài)鹽分離子從土壤和硅酸鹽礦物中釋放出來，硅酸鹽礦物和土壤表面逐漸被氫鋁飽和，因此是模擬土壤自然酸化過程使硅酸鹽礦物和土壤短期內(nèi)強烈酸化的高效方法。技術(shù)方案一種模擬土壤自然酸化的方法，步驟為將待酸化的土壤樣品置于去離子水中超聲分散均勻，然后放入電滲析器的中間室，中間室與兩個邊室分別用玻璃紙隔
3開；兩個邊室分別裝蒸餾水，并分別放入鉬金電極和銅電極，用導線將邊室連接到直流穩(wěn)壓電源的正、負極上，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使兩電極間的電壓梯度保持在7. 5-15. OV/cm，攪拌樣品同時不斷用蒸餾水更新邊室中的溶液，并測定與電源負極相連的邊室溶液的電導，當電導數(shù)值穩(wěn)定且與蒸餾水的電導接近時，電滲析完全；取出樣品，烘干得到強烈酸化的土壤。上述樣品為硅酸鹽礦物和土壤；
上述電壓梯度優(yōu)選15. OV/cm。通過直流電場作用下的電滲析處理模擬土壤自然酸化過程使硅酸鹽礦物和土壤短期內(nèi)達到強酸化狀態(tài)的方法，所述直流電場的電壓梯度為7. 5-15. OV/cm，需處理的樣品超聲后放入電滲析槽中進行電滲析處理。在電場作用下，樣品中的可溶性和交換態(tài)鹽分離子會快速地釋放出來，同時由水和溶解于水中的碳酸解離出氫離子逐漸占據(jù)粘土礦物和土壤表面的陽離子交換位(負電荷位)，再自動發(fā)生氫鋁轉(zhuǎn)化而逐漸使土壤被氫鋁離子所飽和，并在短期內(nèi)使硅酸鹽礦物和土壤到達強酸化狀態(tài)。如控制電滲析時間和電壓梯度，也可使土壤達到不同的酸化狀態(tài)。有益效果熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤因遭受淋溶作用而促使土壤自然酸化的過程是非常緩慢的，如3000mm高的降雨量淋溶安徽郎溪紅壤50. 9年僅使pH降低O. 07、交換性酸增加9%。但用電壓梯度為15. OV/cm電滲析法處理25天就可使土壤pH降低O. 52、交換性酸增加249%，交換性酸的飽和度(交換性酸占陽離子交換量的百分比)增加至84. 2%。電滲析能很好地模擬強降雨淋溶作用過程中導致交換性鹽基不斷淋失、土壤表面陽離子交換位逐漸被交換性氫鋁離子占據(jù)、土壤酸度逐漸增加的過程。用電壓梯度為15. OV/cm電滲析處理可使近中性的高嶺石、黃棕壤和堿性的蒙脫石在10-50天內(nèi)pH分別降低至4. 64,4. 48和 3. 18，交換性酸的飽和度增加至86. 2%-92. 4%，使土壤和硅酸鹽礦物呈強酸化狀態(tài)。另外， 在7. 5-15. OV/cm之間取不同的電壓梯度，或電滲析不同的時間，可短期內(nèi)得到不同酸化程度的硅酸鹽礦物和土壤樣品。因此，電滲析是一種高效模擬土壤自然酸化的方法。


圖I電滲析前、后高嶺石、蒙脫石和黃棕壤的pH變化；
圖2電滲析前、后高嶺石表面交換性酸和交換性鹽基陽離子的變化；
圖3電滲析前、后蒙脫石表面交換性酸和交換性鹽基陽離子的變化；
圖4電滲析前、后黃棕壤表面交換性酸和交換性鹽基陽離子的變化；
圖5電滲析過程中高嶺石表面的pH、交換性酸和交換性鹽基陽離子的動態(tài)變化；
圖6電滲析過程中黃棕壤表面的pH、交換性酸和交換性鹽基陽離子的動態(tài)變化；
圖7不同電壓梯度的電滲析后，高嶺石表面交換性酸和交換性鹽基陽離子和pH變化； 圖8不同電壓梯度的電滲析后，蒙脫石表面交換性酸、交換性鹽基陽離子和pH變化； 圖9不同電壓梯度的電滲析后，黃棕壤表面交換性酸和交換性鹽基陽離子和pH變化； 圖10安徽郎溪紅壤分別用淋溶和電滲析處理后表面的pH、交換性酸和交換性鹽基陽離子的變化。圖11為本發(fā)明所用電滲析器示意圖，其中中間室(4)，左邊室(3)，右邊室(5)，鉬金電極(I),銅電極(2)。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明專利的內(nèi)容，下面通過具體的實例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。各實施例作用電滲析裝置為現(xiàn)有產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。
實施例I
用電滲析法模擬自然酸化過程使近中性的高嶺石、黃棕壤和堿性的蒙脫石強烈酸化 分別稱取80g樣品于玻璃杯中，加入IL去離子水并超聲分散均勻后，放入電滲析器的中間室，中間室與兩個邊室分別用玻璃紙隔開；兩個邊室分別裝蒸餾水，并分別放入鉬金電極和銅電極，用導線將兩個邊室分別連接到直流穩(wěn)壓電源的正、負極上，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使兩電極間的電壓梯度保持在15. OV/cm。攪拌土壤樣品并不斷用蒸餾水更換兩個邊室中的水溶液， 并測定與電源負極相連的邊室水溶液的電導，當24h內(nèi)水溶液的電導值穩(wěn)定，且與蒸餾水的電導基本接近時，可認為電滲析完全。一般高嶺石、黃棕壤和蒙脫石電滲析完全需10-50 天，具體時間取決于樣品的性質(zhì)、換水和樣品攪拌頻率、電壓梯度等。取出樣品，烘干、磨細、 過篩，測定土壤的pH、交換性酸和交換性鹽基。結(jié)果表明電滲析能使近中性的高嶺石、黃棕壤和堿性的蒙脫石的PH顯著降低(圖1)，絕大部分交換性鹽基被去除，并產(chǎn)生了大量的交換性酸(圖2、3和4)。電滲析后高嶺石、黃棕壤和蒙脫石的pH分別將至4. 64、4. 48和3. 18， 交換性酸的飽和度分別為86. 7%,86. 2%和92. 4%，表明電滲析后高嶺石、黃棕壤和蒙脫石均呈現(xiàn)強酸化狀態(tài)。
實施例2
電滲析過程中高嶺石和黃棕壤的酸度性質(zhì)的變化——實驗方法基本與實施例I相似。 把高嶺石和黃棕壤按上述方法電滲析，并在電滲析過程中取樣測定高嶺石和黃棕壤的pH、 交換性酸和交換性鹽基；共進行了 4次采樣，其中第I次和第4次為電滲析前和電滲析后取的樣，而第2次和第3次的取樣時間，高嶺石分別為電滲析的第I和第5天，而黃棕壤為分別為第3和第15天。圖5和圖6的結(jié)果表明，隨著電滲析的進行，高嶺石和黃棕壤表面的交換性鹽基陽離子在電場的作用下會快速地從土壤表面交換位釋放出來，同時水和空氣中溶解的碳酸解離出的H+逐漸占據(jù)這些陽離子交換位，產(chǎn)生交換性H+，而H+在硅酸鹽礦物和土壤表面很不穩(wěn)定，會自動發(fā)生氫鋁轉(zhuǎn)化變成交換性鋁；交換性鋁的水解使土壤溶液中游離酸度不斷增加，PH顯著降低。因此電滲析處理能夠很好地模擬熱帶、亞熱帶地區(qū)多雨的氣候條件而導致土壤遭受強烈地淋溶作用，并不斷地自然酸化的過程。而且，隨著電滲析時間的延長，樣品的酸化程度越高，因此電滲析不同時間還可得到不同酸化程度的樣品。
實施例3
不同電壓梯度對電滲析樣品處理效果的影響——實驗方法基本與實施例I相似。 選擇了陽離子交換性差異大的高嶺石、黃棕壤和蒙脫石(分別為6. 4,21. 8和88. 7cmolc/ kg)，分別在7. 5V/cm和15. OV/cm的電壓梯度下進行電滲析處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在7. 5V/cm電壓梯度下樣品電滲析達到電滲析完全的狀態(tài)所需時間是15. OV/cm的I. 2-1. 5倍。而且從圖7、8、9和結(jié)果可以看出，兩種電壓梯度下電滲析均使近中性的高嶺石、黃棕壤和堿性的蒙脫石發(fā)生了酸化，7. 5V/cm電壓梯度下電滲析的高嶺石、黃棕壤和蒙脫石的酸飽和度增加至37. 2%-64. 6%，而15. OV/cm的電壓梯度下樣品的酸飽和度增加至86. 2%_92. 4%。因此電滲析時的電壓梯度越大，電滲析所需的時間越短，而且樣品的酸化程度越高。硅酸鹽礦物和土壤中可溶性和交換性鹽基離子分別處于膠體擴散層的不同位置，與膠體結(jié)合力的大小也不一。電壓梯度越大，對硅酸鹽礦物和土壤的鹽基離子的去除能力越強，“去除膠狀懸液中游離電解質(zhì)離子的裝置” (ZL2009 2 0037724. 8.)這一專利中，曾用O. 2-0. 7V/cm的電壓梯度來去除膠狀懸液中所有游離離子來精準制備純凈的離子飽和粘粒。因此，小于lV/cm電壓梯度的短期電滲析處理常用來去除游離離子，而自然土壤酸化過程不但去除了可溶性鹽分，而且硅酸鹽礦物和土壤表面的交換性鹽基也有不同程度的去除，因此模擬熱帶、亞熱帶地區(qū)強烈淋溶作用導致的土壤自然酸化過程所需的電壓梯度應更高。另外，高的電壓梯度雖然在較短時間內(nèi)使樣品的酸化程度越高，但對硅酸鹽結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變程度也會越大。因此，結(jié)合電滲析時間、效果以及對樣品本身性質(zhì)改變小等因素，認為15. OV/cm是用電滲析處理使樣品短期內(nèi)達到強烈酸化較理想的電壓梯度，而7. 5-15 . OV/cm的電壓梯度適宜于研究不同酸化程度的樣品制備時用。
實施例4
淋溶和電滲析處理對安徽郎溪紅壤酸化作用的對比——采集了安徽郎溪紅壤，分別進行淋溶和電滲析處理。其中淋溶處理為過10目篩的土壤裝入直徑為5cm的塑料管中，表層和底層分別鋪一層石英砂防止土壤膠體淋出土柱。用蠕動泵控制水流流速，向土柱加蒸餾水，每天白天淋溶10h，晚上停止淋溶，持續(xù)淋溶6個月，共淋溶蒸餾水300L，相當于年降雨量高為3000_的地區(qū)50. 9年的降雨量，然后停止了淋溶。土壤取出烘干、磨細、過篩后備用。電滲析處理方法同實施例1，用時為25天。兩種處理的樣品均測定土壤的pH、交換性酸和交換性鹽基陽離子。從圖10的結(jié)果看出長時間的淋溶作用對降低紅壤的pH和交換性鹽基陽離子，以及增加土壤的交換性酸有一定的促進作用，但作用不是很明顯；而短時間的電滲析處理卻顯著地降低紅壤的PH和交換性鹽基，并增加土壤的交換性酸。如郎溪紅壤原土的PH為5. 13，經(jīng)淋溶和電滲析處理后，pH分別為降低了 O. 07和O. 52，而交換性酸分別增加了 9%和249%。因此，電滲析處理可以很好的模擬降雨淋溶作用而導致的土壤自然酸化過程，使土壤和硅酸鹽礦物短期內(nèi)強烈酸化。
權(quán)利要求
1.一種模擬土壤自然酸化的方法，其特征在于步驟為將待酸化的土壤樣品置于去離子水中超聲分散均勻，然后放入電滲析器的中間室，中間室與兩個邊室分別用玻璃紙隔開； 兩個邊室分別裝蒸餾水，并分別放入鉬金電極和銅電極，用導線將邊室連接到直流穩(wěn)壓電源的正、負極上，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使兩電極間的電壓梯度保持在7. 5-15. OV/cm，攪拌樣品同時不斷用蒸餾水更新邊室中的溶液，并測定與電源負極相連的邊室溶液的電導，當電導數(shù)值穩(wěn)定且與蒸餾水的電導接近時，電滲析完全；取出樣品，烘干得到強烈酸化的土壤。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬土壤自然酸化的方法，其特征在于所述樣品為硅酸鹽礦物和土壤。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬土壤自然酸化的方法，其特征在于電壓梯度為15.OV/cm。
全文摘要
一種模擬土壤自然酸化的方法，步驟為將待酸化的土壤樣品置于去離子水中超聲分散均勻，然后放入電滲析器的中間室，中間室與兩個邊室分別用玻璃紙隔開；兩個邊室分別裝蒸餾水，并分別放入鉑金電極和銅電極，用導線將邊室連接到直流穩(wěn)壓電源的正、負極上，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使兩電極間的電壓梯度保持在7.5-15.0V/cm，攪拌樣品同時不斷更新邊室中的溶液，并測定與電源負極相連的邊室溶液的電導，當電導數(shù)值穩(wěn)定且與蒸餾水的電導接近時，電滲析完全；取出樣品，烘干得到強烈酸化的土壤。本發(fā)明可以高效模擬研究熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤的自然酸化。
文檔編號B01D61/44GK102580539SQ20121004516
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者徐仁扣, 李九玉 申請人:中國科學院南京土壤研究所