基于量子效应的土壤金属离子吸附选择性

Ion exchange that occurs on charged clay mineral surface is an important process in soil science.Currently, In a given cation exchange system with known electrostatic field strength, there are two factors that influence the electrostatic adsorption: the charge number of a cation species and the hydration radius of the cation species；At the same time, the hydration effect of cation species on cation exchange is not considered in any existing exchange equilibrium models, thus, the explanations for the selectivity of ion exchange adsorption are myriad. But, recent studied have shown that the basic reason of selectivity of ion exchange adsorption is not the cation hydration radius of the ion, but as a result of the different ion outer electron cloud structure. Thus, the classical theory does not seem to imperfect. Therefore, this study will adopt ion exchange / adsorption kinetics methods to study the adsorption selectivity of metal ions, and in the aim of clarifying the influence of quantum effect on selectivity cofficient and its quantitive relationship with soil electrostatic, discovering the foundermental reason of selectivity and estabishing a new theory for ion exchange/adsorption in soil.

发生于黏土矿物表面的离子交换过程是一个非常重要的过程。目前关于静电吸附动力学的研究中，仅仅考虑了离子电荷的多少和水化半径的大小；同时在离子交换平衡模型中也未考虑离子水化半径的影响，因而只能对离子存在交换吸附选择性作出笼统解释。但新的研究表明，离子交换过程中呈现选择性的根本原因不是阳离子的水化半径的不同，而是离子外层电子云构象不同造成的。因而，研究离子存在吸附选择性的本质原因，经典理论的解释似乎并不完善。因此，本研究将采用离子交换/吸附动力学方法，研究金属离子的吸附选择性，阐明基于量子效应的交换吸附选择系数及选择系数与土壤电场之间耦合效应的定量关系，明确影响离子交换存在选择性的本质原因，从而初步建立起基于量子效应的土壤离子交换吸附平衡新理论。

土壤是一个巨大的电场体系。在该电场中各带电体（离子、永久偶极子、表面基团，量子振荡的瞬时电荷等）的电子云构象显著不同于无电场和弱电场体系，离子之间的微小差异通过影响强电场中带电体相互作用的量子耦合效应，可以引起土壤表面电化学性质、动力学参数和吸附平衡参数的巨大差异。然而，在目前土壤离子特异性研究中常用离子水合作用、离子体积效应、色散力作用等来解释，这些经典理论在解释离子特异性效应时，在不同的体系中往往得到自相矛盾的结果。本项目通过三年研究，取得了突破性进展：（1）研究发现土壤离子交换过程中存在显著的选择性，即离子特异性效应。碱金属离子Li+、Na+、K+、Cs+在蒙脱石颗粒表面的交换选择性顺序为：Cs+ > K+> Na+ > Li+，且选择性差异随着电解质浓度的减小而增大；（2）明确土壤离子交换动力学中离子选择性（特异性效应）的本质来源：土壤表面电荷产生的强电场与被吸附离子外层电子云量子涨落的耦合作用，从而建立了基于量子效应的动力学和热力学新理论；（3）该效应通过影响离子在土壤颗粒表面的吸附选择性，反过来又对土壤颗粒的表面性质及颗粒间相互作用产生影响，从而建立了基于量子效应的土壤颗粒表面电位、表面电荷密度及表面电场强度等重要性质的联合分析理论和方法。（4）本研究提出的理论成功应用在土壤团聚体稳定性、土壤胶体凝聚等宏观实验上。有关结果将在基础土壤学的多个领域产生重要影响。