第47卷第5期 土壤学报 Vol 47.No 5 2010年9月 ACTA PEDOLOG ICA SNICA Sep,2010 表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 武泉李强李航2 (1重庆文理学院化学与环境工程学院，重庆402168 (2西南大学资源环境学院，重庆400716) 摘要 采用动力学方法测定了中性紫色土胶体和砖红壤胶体的电荷性质，研究了不同出、电解质体系， 浓度条件下离子在带电土壤胶体中的射敢过程分析了两种士壤胶体在不同条件下离子扩散通量和扩散系数的特 点。结果表明：1)中性紫色土胶体和砖红壤胶体中离子平衡扩散量为26、31mg官和Q6-Q51mgg前者 的扩散平衡量是后者的6倍10倍：2)中性紫色土胶体不同温度条件下，离子扩散系数为117×10” 2 砖红壤胶体中在与其对应温度条件下 系数为023 a45×1 m?,前者是后者的4倍-5倍。表面电荷性质对离子在带电土壤胶体界面扩散的影响起决定性作用。 关键词表面电荷性质：离子：胶体：扩散 中图分类号X1313 文献标识码 离子扩散和离子交换是自然界普遍存在的一 化学性质测定方法的提出，为研究外电场中的离子 种物理化学过程因此成为很多学科（如土壤、环 扩散奠定了方法和理论基础。本文以两种不 境、生物等)极其重要的研究内容，而一直受到人们 同表面电荷性质的土壤胶体为材料，研究表面电荷 重视。有关离子（或配位子）交换的动力学规律，在 性质对离子在胶体界面扩散的影响。 很多学科领域已作了大量研究。结果表明，离 子（或配位子）交换过程本身是很快的，扩散往往成 材料与方法 为控制速度的关键步骤。目前，许多研究者运用 Fk扩散定律研究各种条件对离子在胶体界面中 1.1不同电荷表面胶体提取和制备 扩散传输的影响。然而，所有这些研究均存在 实验以采自云南的砖红壤和重庆的中性紫色 个主要问题：没有考虑胶体颗粒外电场对离子扩 土两种表面类型土壤为研究对象，土样风干后过 散传输的影响。但是，胶体颗粒表面又是一个巨大 0.25mm筛，再采用超声波(300mm21.5出z)分 的外电场体系。因此，要准确描述离子在胶体中的 散后制成悬浮液按沉降法提取胶体围。用巴氏滤 扩散传输过程就必须考虑胶体中的强大外电场。 管抽滤后，置于红外灯下50℃左右烘干备用。某些 现在，外电场中离子扩散方程的建立和胶体表面电 基本性质（表1）按照常规法测定。 表1供试敢体的其本理化性质 交换性酸 士堆类型 盐基饱和度 氧化铁 CEC(anolkg) Soil tpe Exchanged acidl 比表面秋 (molkg') Salt sturtin(径）Inn o ile(gkg') SSA(m2) 中性紫色土胶体 Neutral pumli soil colbi 708 258 000 100 24.3 41 档红培胶体 Latool colbil 540 528 3为 21.4 ·国家自然科学基金项目(4074042060)、重庆市教委科技项目(KJ91206KD81200和重庆文理学院科研项目共同资 作者简介：丁武泉 一入男，江西川人，讲师。 从 土表面化学和电化学 方面的研究.Td0254968200 Emad wu 日期0-修改日m0 e Publishing House.reserved.http://www .cnki.net
第 47卷 第 5期 土 壤 学 报 Vo l 47, No5 2010年 9月 ACTA PEDOLOG ICA S IN ICA Sep. , 2010 * 国家自然科学基金项目 ( 40740420660 )、重庆市教委科技项目 ( KJ091206、K J081206)和重庆文理学院科研项目共同资助 作者简介: 丁武泉 ( 1982 ), 男 , 江西临川人, 讲师, 硕士, 从事土壤表面化学和电化学方面的研究。T e:l 02349682200; Em ai:l w u quand ing@ sohu com 收稿日期: 2009- 03 - 23; 收到修改稿日期: 2009 - 06- 01 表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 * 丁武泉 1 李 强 1 李 航 2 ( 1重庆文理学院化学与环境工程学院, 重庆 402168 ) ( 2西南大学资源环境学院, 重庆 400716 ) 摘 要 采用动力学方法测定了中性紫色土胶体和砖红壤胶体的电荷性质, 研究了不同 pH、电解质体系、 浓度条件下离子在带电土壤胶体中的扩散过程, 分析了两种土壤胶体在不同条件下离子扩散通量和扩散系数的特 点。结果表明: 1)中性紫色土胶体和砖红壤胶体中离子平衡扩散量为 26 ~ 31 m g g - 1和 026~ 051 mg g - 1 , 前者 的扩散平衡量是后者的 6倍 ~ 10 倍; 2 )中性紫色土胶体不同温度条件下, 离子扩散系数为 117 10 - 9 ~ 191 10 - 9 cm 2 s - 1 , 砖红壤胶体中在与其对应温度条件下, 离子扩散系数为 023 10 - 9 ~ 0 45 10 - 9 cm2 s - 1 , 前者是后者的 4倍 ~ 5倍。表面电荷性质对离子在带电土壤胶体界面扩散的影响起决定性作用。 关键词 表面电荷性质; 离子; 胶体; 扩散 中图分类号 X131 3 文献标识码 A 离子扩散和离子交换是自然界普遍存在的一 种物理化学过程, 因此成为很多学科 (如土壤、环 境、生物等 )极其重要的研究内容, 而一直受到人们 重视。有关离子 (或配位子 )交换的动力学规律, 在 很多学科领域已作了大量研究 [ 19]。结果表明, 离 子 (或配位子 )交换过程本身是很快的, 扩散往往成 为控制速度的关键步骤。目前, 许多研究者运用 F ick扩散定律研究各种条件对离子在胶体界面中 扩散传输的影响 [ 39]。然而, 所有这些研究均存在 一个主要问题: 没有考虑胶体颗粒外电场对离子扩 散传输的影响。但是, 胶体颗粒表面又是一个巨大 的外电场体系。因此, 要准确描述离子在胶体中的 扩散传输过程就必须考虑胶体中的强大外电场。 现在, 外电场中离子扩散方程的建立和胶体表面电 化学性质测定方法的提出, 为研究外电场中的离子 扩散奠定了方法和理论基础 [ 1012]。本文以两种不 同表面电荷性质的土壤胶体为材料, 研究表面电荷 性质对离子在胶体界面扩散的影响。 1 材料与方法 11 不同电荷表面胶体提取和制备 实验以采自云南的砖红壤和重庆的中性紫色 土两种表面类型土壤为研究对象, 土样风干后过 025 mm 筛, 再采用超声波 ( 300 mm, 215 kHz)分 散后制成悬浮液, 按沉降法提取胶体 [ 13]。用巴氏滤 管抽滤后, 置于红外灯下 50! 左右烘干备用。某些 基本性质 (表 1)按照常规法测定 [ 14]。 表 1 供试胶体的基本理化性质 Tab le 1 Basic physicoch em ical p roperties of the selected so il colloids in the test 土壤类型 So il typ e pH CEC( cm ol kg - 1 ) 交换性酸 Exchanged acid ( cm ol kg - 1 ) 盐基饱和度 Salt saturation (% ) 氧化铁 Iron ox ide( g kg - 1 ) 比表面积 SSA( m 2 g - 1 ) 中性紫色土胶体 N eu tral purp lish soil collo id 7 08 25 8 0 00 100 243 41 砖红壤胶体 Latosol collo id 5 40 5 28 3 79 28 1 2114 27
5期 丁武泉等：表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 897 1.2表面电荷性质测定 式中，N。为平衡吸附量，中为表面电位，V为固定液 1.21平衡吸附量W)及固定液膜体积(V)测定 膜体积，R为气体常数 ,T为温度，F为法拉第常数 具体步骤见文献151。 ©为交换液原液浓度 1.22平均离子浓度、表面电位的计算 分别采 13离子扩散的实验方法 用以下计算方法： 实验采用流动法（装置见图）：在恒温下，用 固定液膜中平均离子浓度 定浓度的KNO或Mg(NO)溶液以1 m Im in的恒 定流速通过样品，用自动部分收集器按设定时间间 (1) 隔(10mim)收集样品中流出的流出液，用火焰光度 表面电位 计测定流出液中K浓度，用原子吸收分光光度计 在2：1型电解质体系中： 测定流出液中的Mg浓度，从而计算出不同时间扩 散讲入样品中的K、M离子数量。为尽量消除 (2) 离子扩散受纵向上浓度梯度的影响，样品尽可能 在1：1型电解质体系中： 薄。本实验设计每次称取土壤胶体02g左右，样 (3) 品体积约0.16am,样品层面积15.89am,样品层 平均厚度0.01am。 I裂 部分收集器 修水的烧 图1装置示意图 扩散通量： 量、扩散界面处的电位值和界面处的离子活度梯度 N=(C-Cw)×V 4 的测定数据，再利用我们已经建立起来的通量方程 式中，C为流入液离子浓度，C出为流出液离子浓 计算出来I。 度，V为固定液膜体积。 4kv D=元sSM (6) 平衡扩散量： =碧- 式中，k为常数，V为固定液膜体积，为常数，SS刷 (5) 为比表面积。 式中，t为时间，几为常数D为离子扩散系数，1为离 子扩散距离，根据不同时刻的扩散通量八，代入式 2结果与讨论 (5),再根据最小二乘法就可以算出离子的平衡扩 散量Nm。 21两种士壤胶体表面电荷性质 离子扩散系数：首先通过在实验的给定条件下 21.1在21和1：1型电解质体系中表面电荷性质 求解已经建立起来的外场中非稳态扩散方程求出 参数 分别用Ca(NO,)nNH,NO,作表面处理剂，用 离子活度梯度。离子扩散系数可通过利用扩散通b浓度为0O83 molm Mg(N0)2和0.020molm
5期 丁武泉等: 表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 897 12 表面电荷性质测定 121 平衡吸附量 (N∀ )及固定液膜体积 ( V )测定 具体步骤见文献 [ 15]。 122 平均离子浓度、表面电位的计算 分别采 用以下计算方法: 固定液膜中平均离子浓度 cp = N∀ V ( 1) 表面电位 在 2#1型电解质体系中: 0 = RT 2F ln 3 c0 cp 2 ( 2) 在 1#1型电解质体系中: 0 = RT F ln 4 c0 cp 2 ( 3) 式中, N∀ 为平衡吸附量, 0为表面电位, V 为固定液 膜体积, R 为气体常数, T 为温度, F 为法拉第常数, c0为交换液原液浓度 [ 12]。 13 离子扩散的实验方法 实验采用流动法 (装置见图 1): 在恒温下, 用一 定浓度的 KNO3或 M g(NO3 ) 2溶液以 1 m lm in - 1的恒 定流速通过样品, 用自动部分收集器按设定时间间 隔 ( 10 m in)收集样品中流出的流出液, 用火焰光度 计测定流出液中 K + 浓度, 用原子吸收分光光度计 测定流出液中的 M g 2+浓度, 从而计算出不同时间扩 散进入样品中的 K + 、M g 2+ 离子数量。为尽量消除 离子扩散受纵向上浓度梯度的影响, 样品尽可能 薄。本实验设计每次称取土壤胶体 02 g左右, 样 品体积约 016 cm 3 , 样品层面积 1589 cm 2 , 样品层 平均厚度 001 cm。 图 1 装置示意图 F ig 1 Sch ematic d iagram of th e installation 扩散通量: N = (C入 - C出 ) V ( 4) 式中, C入 为流入液离子浓度, C出 为流出液离子浓 度, V 为固定液膜体积。 平衡扩散量: dN dt = 2 D 4l 2 (N ∀ - N ) ( 5) 式中, t为时间, 为常数, D 为离子扩散系数, l为离 子扩散距离, 根据不同时刻的扩散通量 N, 代入式 ( 5), 再根据最小二乘法就可以算出离子的平衡扩 散量N ∀ 。 离子扩散系数: 首先通过在实验的给定条件下 求解已经建立起来的外场中非稳态扩散方程求出 离子活度梯度。离子扩散系数可通过利用扩散通 量、扩散界面处的电位值和界面处的离子活度梯度 的测定数据, 再利用我们已经建立起来的通量方程 计算出来 [ 10 ]。 D = 4kV 2 2 SSA 2 ( 6) 式中, k为常数, V 为固定液膜体积, 为常数, SSA 为比表面积。 2 结果与讨论 21 两种土壤胶体表面电荷性质 211 在 2#1和 1#1型电解质体系中表面电荷性质 参数 分别用 Ca(NO3 ) 2、NH4NO3作表面处理剂, 用 浓度为 0083 mo lm - 3 M g( NO3 ) 2和 0020 mo lm - 3
898 土壤 学 报 47卷 KNO作指示性交换剂（用稀硝酸作H调节剂），将 的2倍。中性紫色土胶体表面电荷密度(0。)人、表面电 中性紫色土和砖红壤两种土壤胶体表面电荷性质 场强度(E)分别为-Q55Cm、-441E+ 相关数据列于表2。 8】mC。红寒胶体的表面电荷密度、表面电场 从表2可知，在21型电解质中紫色土胶体的表 强度分别为-0038Cm2、-5.40E+07Jm'C。 面电位约为-Q.18V,砖红壤胶体的表面电位约为 紫色土胶体的表面电荷密度、表面电场强度的值均较 -010V。紫色土胶体的表面电位绝对值约为砖红壤 砖红朝胶体高出约一个数量级。 表2两种土壤胶体表面电荷性质的测定结果 Table 2 Surfice dage papenis of the wo spes of soil colbils (T=2%pH=70 类型 电解质体系 0。 Eo Soil bpe Eketmokte (mlg)(molkg')(molm) (V) (Cm) (Jm'c') 中性紫色士胶体 21 087 011 1份43 -0 -03 -44E+0 Npuplio 087 021 19014 -0.39 -0.6 =443E+08 砖红筛胶体 31 036 0m6 938 -0038 -5E+0m Labsololbil 【1 036 0 0B 230B -0.7 -0033 -482E+7 2.1.2电解质浓度对表面电荷性质的影响 知，中性紫色土胶体表面电荷密度随电解质浓度增加 解质浓度对两种土壤胶体表面电荷性质影响如图 呈增加趋势.但曲线很快到达“平台”。紫色土较体 2所示。从图2a可知，砖红壤胶体表面电位的绝 主要含蛭石、云母等Σ1型硅酸盐矿物，以含恒电 对值随着电解质浓度的增加而成小，这表明砖红 荷为主，因此，其电荷总量、表面电荷密度不随电解质 壤胶体表面并不是恒电位表面，这也与李航等 浓度的改变而发生显著的变化。砖红壤胶体表面电 就“人工合成赤铁矿的表面电位与电解质浓度变化关 荷密度的负值随着电解质浓度的增加迅速增加，其增 系”的讨论所得的结果一致不管何种电荷表面的表 幅可以达到15，这与以前的研究所得结果 面电位均随电解质浓度变化而发生变化。由图弘可 致写 06 -020 -0 00 01 04 013 ◇砖红壤Latosol 01 -03 -008 O一中性紫色土Purplish soil 02 O一中性禁色士Purplish soil 01 000005010015020 025 00 0.05 020 电解质浓度 电解质浓度 Electrolyte concentration (mol m 图2电解质浓度对胶体表面电位()和表面电荷密度()的影响 age dens (b) 2.1.3H对表面电荷性质的影响 图3图4 13%,砖红壤胶体的表面电荷密度也出现降低的趋 是用浓度为0.020molm3的系列H值的KN03溶 势.降低了0.01Cm约3%左右，而中性紫色土 液作交换液，采用上述处理方式所获得的中性紫色 胶体表面电荷密度变化较小山>7时砖红壤胶体 土胶体和砖红壤胶体表面电荷性质，从图曲线可以 表面电位、表面电荷密度值随山的升高仍有降低 看出，<7时砖红壤胶体和中性紫色土胶体表面 的趋势，而中性紫色土胶体表面电位、表面电荷密 电位表现出降低的趋势，分别降低了约3%和 度基本保持不变。 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http //www.cnki.ne
898 土 壤 学 报 47卷 KNO3作指示性交换剂 (用稀硝酸作 pH 调节剂 ), 将 中性紫色土和砖红壤两种土壤胶体表面电荷性质 相关数据列于表 2。 从表 2可知, 在 2#1型电解质中紫色土胶体的表 面电位约为 - 018 V, 砖红壤胶体的表面电位约为 - 010 V。紫色土胶体的表面电位绝对值约为砖红壤 的 2倍。中性紫色土胶体表面电荷密度 ( 0 )、表面电 场强度 ( E0 ) 分 别为 - 055 C m - 2、- 441 E + 08 J m - 1 C - 1。砖红壤胶体的表面电荷密度、表面电场 强度分别为 - 0038 C m - 2、- 540 E + 07 J m - 1 C - 1。 紫色土胶体的表面电荷密度、表面电场强度的值均较 砖红壤胶体高出约一个数量级。 表 2 两种土壤胶体表面电荷性质的测定结果 Table 2 Surface ch arge properties of the two types of soil colloids (T= 298K, pH = 7 0) 类型 Soil typ e 电解质体系 Electrolyte V (m l g - 1 ) N∀ (mol kg - 1 ) cp (m olm - 3 ) !0 (V) 0 (C m - 2 ) E0 ( Jm - 1 C - 1 ) 中性紫色土胶体 Neutral purplish soil colloid 2#1 087 011 169 43 - 018 - 055 - 441E+ 08 1#1 087 021 190 14 - 039 - 056 - 443E+ 08 砖红壤胶体 Latoso l colloid 2#1 036 0 006 9 38 - 010 - 0038 - 540E+ 07 1#1 036 0 03 23 03 - 017 - 0033 - 482E+ 07 212 电解质浓度对表面电荷性质的影响 电 解质浓度对两种土壤胶体表面电荷性质影响如图 2所示。从图 2a可知, 砖红壤胶体表面电位的绝 对值随着电解质浓度的增加而减小, 这表明砖红 壤胶体表面并不是恒电位表面, 这也与李航等 [ 16 ] 就∃人工合成赤铁矿的表面电位与电解质浓度变化关 系%的讨论所得的结果一致, 不管何种电荷表面的表 面电位均随电解质浓度变化而发生变化。由图 2b可 知, 中性紫色土胶体表面电荷密度随电解质浓度增加 呈增加趋势, 但曲线很快到达 ∃平台%。紫色土胶体 主要含蛭石、云母等 2#1型硅酸盐矿物 [ 17] , 以含恒电 荷为主, 因此,其电荷总量、表面电荷密度不随电解质 浓度的改变而发生显著的变化。砖红壤胶体表面电 荷密度的负值随着电解质浓度的增加迅速增加, 其增 幅可以达 到 150% , 这与 以前 的研 究所 得结 果 一致 [ 16]。 图 2 电解质浓度对胶体表面电位 ( a)和表面电荷密度 ( b) 的影响 Fig 2 Effect of electrolyte concentration on surface poten tial ( a) and su rface charge density ( b) 213 pH 对表面电荷性质的影响 图 3、图 4 是用浓度为 0020 mo lm - 3的系列 pH 值的 KNO3溶 液作交换液, 采用上述处理方式所获得的中性紫色 土胶体和砖红壤胶体表面电荷性质, 从图曲线可以 看出, pH < 7时砖红壤胶体和中性紫色土胶体表面 电位表现出降低的趋势, 分别降低了约 30% 和 15%, 砖红壤胶体的表面电荷密度也出现降低的趋 势, 降低了 001 C m - 2 , 约 30%左右, 而中性紫色土 胶体表面电荷密度变化较小; pH > 7时砖红壤胶体 表面电位、表面电荷密度值随 pH 的升高仍有降低 的趋势, 而中性紫色土胶体表面电位、表面电荷密 度基本保持不变
5期 丁武泉等：表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 899 -040 22不同环境条件下土壤胶体中离子扩散通量及 035 00 其变化特点 030 22.1离子在不同土壤胶体表面扩散平衡时总通 -025 量的比较从表3中数据可知两种士壤胶体不论 -020 在何种电解质类型中或是何种温度条件下平衡扩 015 散量相差均很大。中性紫色土胶体中不同电解质 -010 和温度条件下，其扩散平衡总通量26~31m -005 O一中性紫色土Purplish so司 g';而砖红壤胶体在与其对应的电解质和温度条件 000 下，其平衡扩散量为026~0.51mgg,中性紫色 6 土的平衡扩散量远大于砖红壤，是砖红壤的6倍 10倍。可见.不同离子在两种土壤胶体中的平衡扩 图3 出对两种胶体表面电位的影明 散量主要受胶体表面电荷密度影响，胶体表面电荷 F g 密度战大：固液界面平衡扩散最战大。 07 005 06 -004 04 003 002 03 00 01 9 pH 图4山对砖红壤胶体()和中性紫色土胶体()表面电荷密度的影响 Fg 4 Effect of pH on aurfee charge density of absol colbil (a)and neutral puplih soil colloil b) 表3不同环境条件下两种电荷表面胶体平衡扩散量 平衡扩散量The btal of diffus in flrx 之1电解质 r1电解质 28K 30 28K 30 砖红壤胶体 031 0.26 0.51 0.42 Lato o 中性紫色土胶体 273 2.60 Neutal purpli soil cob过 310 283 不同温度条件下，离子在胶体中平衡时的扩散 面电场作用的强度减弱。同时，温度增加，胶体表 总量有所差异。K和Mg在两种土壤胶体中平衡 面电荷密度值也减小。 时的射扩散总量在308较298K有一定程度的减少 22.2离子在两种土壤胶体中扩散通量随时间变 减幅约为18%。主要是因为离子在胶体固液 化特点图5描述了Mg在两种土壤胶体中扩 界面的扩散是由表面电场和热运动两个过程所引 散通量随时间变化特点，共同的特点是开始阶段 起的，温度增加，离子在固液界面热运动增强，受表 通里通时间增长迅速.后期增长速度域缓。在紫 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki ne
5期 丁武泉等: 表面电荷性质对离子在土壤胶体界面扩散的影响 899 图 3 pH 对两种胶体表面电位的影响 F ig 3 Effect of pH on Surface poten tial 22 不同环境条件下土壤胶体中离子扩散通量及 其变化特点 221 离子在不同土壤胶体表面扩散平衡时总通 量的比较 从表 3中数据可知两种土壤胶体不论 在何种电解质类型中或是何种温度条件下平衡扩 散量相差均很大。中性紫色土胶体中不同电解质 和温度条件下, 其扩散平衡总通量 26 ~ 31 mg g - 1 ; 而砖红壤胶体在与其对应的电解质和温度条件 下, 其平衡扩散量为 026 ~ 051 mg g - 1 , 中性紫色 土的平衡扩散量远大于砖红壤, 是砖红壤的 6倍 ~ 10倍。可见, 不同离子在两种土壤胶体中的平衡扩 散量主要受胶体表面电荷密度影响, 胶体表面电荷 密度越大, 固液界面平衡扩散量越大。 图 4 pH 对砖红壤胶体 ( a)和中性紫色土胶体 ( b) 表面电荷密度的影响 F ig 4 Effect of pH on su rface ch arge density o f latosol collo id ( a) and neu tral pu rp lish so il colloid ( b) 表 3 不同环境条件下两种电荷表面胶体平衡扩散量 Table 3 D iffu sion flux of surface charge in two types of soil colloids in differen t env ironm en tal conditions( m g g - 1 ) 土壤类型 So il typ e 平衡扩散量 The total of d iffusion flux 2#1电解质 2#1 Electrolyte 1#1电解质 1#1 Electrolyte 298K 308K 298K 308K 砖红壤胶体 Latosol collo id 0 31 0 26 0 51 042 中性紫色土胶体 N eu tral purp lish soil collo id 2 73 2 60 3 10 283 不同温度条件下, 离子在胶体中平衡时的扩散 总量有所差异。K + 和 M g 2+ 在两种土壤胶体中平衡 时的扩散总量在 308K较 298K 有一定程度的减少, 减幅约为 5%~ 18%。主要是因为离子在胶体固 液 界面的扩散是由表面电场和热运动两个过程所引 起的, 温度增加, 离子在固 液界面热运动增强, 受表 面电场作用的强度减弱。同时, 温度增加, 胶体表 面电荷密度值也减小。 222 离子在两种土壤胶体中扩散通量随时间变 化特点 图 5描述了 M g 2+ 在两种土壤胶体中扩 散通量随时间变化特点, 共同的特点是开始阶段扩 散通量随时间增长迅速, 后期增长速度减缓。在紫
900 学 报 47卷 35 030 (885 025 25 020 015 15 是 口T-298K 005 T-30K 05 40 0 时Time(min 图5M在中性紫色土胶体(d和砖红壤胶体(b)中扩散通量随时间的变化 F5 Difucion fhx ofMg dependent tie n neutmal pumplih soil colloi a)and labsol co lbid b) 色土胶体中，前50min扩散迅速，110mn基本达到 速度。本体溶液中离子类型和离子浓度相等的情 扩散平衡：而在砖红壤胶体中前35mm扩散迅速， 况下，由于土粒表面电场的存在，使得离子在固液 80mm左右达到扩散平衡。初始阶段扩散速度快 界面扩散过程受到电场力的作用，然而电场力的大 是由于这阶段固液界面双电层中离子浓度较低，双 小与离子电场和离子价数成正比，离子价数相等 电层厚度较大，这样当本体溶液浓度相同时，而固- 电场力的大小仅决定于表面电场大小。根据21.1 液界面产生的离子活度梯度很大，所以初试阶段离 的结果，紫色土胶体表面电场强度值较砖红壤胶体 子散速度快。随着离子散过程的进行，本体溶 高出约一个数量级.所以离子在中性紫色土胶体中 液的离子扩散进入双电层，压缩双电层，使得其中 扩散所受的电场力也远大于砖红壤胶体中。那么 离子浓度增大，这样固液界面活度梯度减小，从而 离子在中性紫色土胶体中的扩散速度必将远大于 减小离子扩散速度。同时根据前面分析，我们也可 砖红壤胶体。从离子扩散通量随时间变化特点也 得知Mg在中性紫色土胶体中离子平衡扩散量约 表明带电离子在土壤固液界面的打扩散传输强烈地 为在砖红壤胶体中的6倍~10倍。扩散平衡总量 号土粒表面由场作用的影响。 与扩散平衡时间的比值即为单位时间进入扩散 22.3不同环境条件对离子平衡扩散量的影响 中离子的量，它反映离子在固液界面扩散速度的大 图6描述了不同电解质浓度条件下Mg+在中性紫 小。由此我们可以认为Mg”在中性紫色土胶体表 色土和砖红壤中平衡扩散量的变化情况。浓度从 面的扩散速度远远大于在砖红壤胶体表面的扩散 0.021molm增至021molm,中性紫色土中平 29 045 28 26 25 6 24 010 23 005 000 22 005 01015 0202 01502025 (mol m onimol m 图6浓度对Mg2在中性紫色土胶体（和砖红壤胶体(b)中平衡扩散量的影响
900 土 壤 学 报 47卷 图 5 M g 2+ 在中性紫色土胶体 ( a) 和砖红壤胶体 ( b)中扩散通量随时间的变化 F ig 5 D iffusion flux ofMg 2 + dependen t tim e in neu tral purp lish soil colloid ( a) and latosol co lloid ( b) 色土胶体中, 前 50 m in扩散迅速, 110 m in基本达到 扩散平衡; 而在砖红壤胶体中前 35 m in扩散迅速, 80 m in左右达到扩散平衡。初始阶段扩散速度快 是由于这阶段固 液界面双电层中离子浓度较低, 双 电层厚度较大, 这样当本体溶液浓度相同时, 而固 液界面产生的离子活度梯度很大, 所以初试阶段离 子扩散速度快。随着离子扩散过程的进行, 本体溶 液的离子扩散进入双电层, 压缩双电层, 使得其中 离子浓度增大, 这样固 液界面活度梯度减小, 从而 减小离子扩散速度。同时根据前面分析, 我们也可 得知 M g 2+ 在中性紫色土胶体中离子平衡扩散量约 为在砖红壤胶体中的 6倍 ~ 10 倍。扩散平衡总量 与扩散平衡时间的比值即为单位时间进入扩散层 中离子的量, 它反映离子在固液界面扩散速度的大 小。由此我们可以认为 M g 2+ 在中性紫色土胶体表 面的扩散速度远远大于在砖红壤胶体表面的扩散 速度。本体溶液中离子类型和离子浓度相等的情 况下, 由于土粒表面电场的存在, 使得离子在固液 界面扩散过程受到电场力的作用, 然而电场力的大 小与离子电场和离子价数成正比, 离子价数相等, 电场力的大小仅决定于表面电场大小。根据 211 的结果, 紫色土胶体表面电场强度值较砖红壤胶体 高出约一个数量级, 所以离子在中性紫色土胶体中 扩散所受的电场力也远大于砖红壤胶体中。那么 离子在中性紫色土胶体中的扩散速度必将远大于 砖红壤胶体。从离子扩散通量随时间变化特点也 表明带电离子在土壤固 液界面的扩散传输强烈地 受土粒表面电场作用的影响。 223 不同环境条件对离子平衡扩散量的影响 图 6描述了不同电解质浓度条件下 M g 2+ 在中性紫 色土和砖红壤中平衡扩散量的变化情况。浓度从 0021 molm - 3增至 021 mol m - 3 , 中性紫色土中平 图 6 浓度对 Mg 2+ 在中性紫色土胶体 ( a)和砖红壤胶体 ( b) 中平衡扩散量的影响 F ig6 Effect of electrolyte concen tration onM g 2+ d iffusion flux in n eutral pu rp lish soil collo id ( a) and latosol collo id ( b )