纳米颗粒之间的相互作用及其对土壤养分和污染元素吸附和迁移的影响

Recently, the potential of manufactured nonoparticles applied in different domains and their environmental safety have attracted much attentions. However, little is known about the behavior of manufactured nonoparticles and properties and functions of natural nonoparticles in soils. In this project, manufactured nonoparticles (iron oxides, aluminum oxides, kaolinite and montmorillonite, which are also widely occurred in soils) will be used to investigate the effect of propeties of manufactured nonoparticles on their stability and aggregation kinetics, and to explore the adsorption mechanism of nutrients and heavy metals and their facilitated transport patterms in saturated sand in different conditions with modernly analytical technologies in colloidal chemistry. Coupled relationships of the chemical properties and distribution between the natural nonoparticles and nutrients and heavy metals in different soil profiles will also be investigated to verify the facilitated transpor mechanism of nonoparticles with nutrients and heavy metals. The results obtained will gain deeply insight into chemical behavior of manufactured nonoparticles in soils and effects of natural nonoparticles on the structure and function of soils, provide important references for evaluation of nonoparticles in environmental risk, soil nutrient management and remediation of contaminated soils by heavy metals, and enrich the nanoscience and soil colloid chemical theory.

人工纳米物质在各领域的应用潜力及其环境安全是近期研究的热点，而人工纳米物质在土壤中的化学行为和土壤中天然纳米颗粒的性质和功能还很少受到关注。本项目拟结合现代胶体化学分析技术，选择人工合成的、但土壤本身大量存在的带正电荷的铁、铝氧化物纳米颗粒和带负电荷的高岭石和蒙脱石纳米颗粒，研究纳米颗粒之间的相互作用和不同环境条件纳米颗粒的性质对其稳定性和聚沉动力学的影响，探讨纳米颗粒对养分和污染元素的吸附机制以及纳米颗粒携带养分和污染物在多孔介质中的迁移规律，并通过分析实际土壤剖面中纳米颗粒性质与营养和污染元素的存在形态和在土壤剖面分布的耦合关系，进一步验证纳米颗粒影响土壤中养分和污染元素化学行为的机制。研究结果有助于深入了解人工纳米颗粒在土壤中的归驱以及天然纳米颗粒对土壤结构和功能的影响，可为纳米颗粒的环境风险评价、土壤的养分管理和污染土壤的修复提供理论依据，并进一步丰富纳米科学和土壤胶体化学理论。

人工纳米颗粒在土壤中的化学行为和土壤中天然纳米颗粒的性质还很少关注。本研究主要选择了工业广泛应用的、同时土壤中大量存在的铁铝氧化物进行了研究。发现动电电位是决定纳米铁氧化物在土壤环境中稳定性和聚沉的重要因子，纳米颗粒的形状影响聚沉的速度；专性吸附的阴离子（如磷酸根、硫酸根、氟离子）可以通过电荷中和作用降低纳米铁氧化物的表面电位，因此比电性吸附离子的电荷屏蔽作用更有效地促进铁氧化物的聚沉，这些聚沉行为均可以很好地用DLVO论理进行解释，并计算得到纳米赤铁矿和针铁矿的Hamaker常数分别为2.87×10-20和2.29×10-20 J-1。有机磷可以通过强烈的专性吸附作用使纳米铁氧化物带负电荷，同时还通过位阻效应促进纳米铁氧化物在NaNO3体系溶液中的稳定，但植酸与钙离子形成的植酸钙则加剧纳米赤铁矿的聚沉。纳米铁氧化物与高岭石共存时，由于带相反电荷胶体颗粒双电层的重叠作用，促进二者的凝聚。富里酸和无机磷低浓度下促进纳米铁氧化物的聚沉，高浓度下则相反。大肠杆菌可以通过静电引力和化学键的作用粘附在纳米铁铝氧化物表面，溶液pH和电解质浓度等影响纳米铁铝氧化物的表面电荷性质，也会改变其对大肠杆菌的粘附能力；纳米级的铁铝氧化物对大肠杆菌的粘附容量均大于微米级胶体颗粒。铁铝氧化物包被可以改变石英砂颗粒的表面电势和表面电荷性质，从而提高了大肠杆菌在淋溶柱中的滞留，减小了大肠杆菌的迁移距离。由于铝氧化物包被石英砂颗粒的表面电势和表面正电荷量都高于铁氧化物，因此铝氧化物在增加大肠杆菌滞留和减小迁移方面的效果更好。由于吸附于滞留点位置细菌的重新释放，使得大肠杆菌在淋溶柱中的滞留轮廓表现为先增加后减小。研究结果有助于认识纳米铁氧化物在土壤中的聚沉行为，以及对土壤磷素地球化学循环、微生物化学行为和土壤物理结构形成等过程和机理。