流动电位法研究人工纳米粒子运移对土壤表面电化学性质的影响

With the rapid development and increasing application of engineered nanoparticles (ENPs) in diverse fields, including industry and agriculture, more attention is being paid to the transport and retention of ENPs in the bulk soil. The transport and retention of ENPs in porous bulk soil may affect the surface electrochemical properties of soil, because the surfaces of ENPs and bulk soil are both electrically charged. Unfortunately, due to the limitation of experimental technology, the effect of the transport of ENPs on the surface electrochemical properties of soil is not fully clear. According to the theory of streaming potential, a new apparatus of streaming potential measurement will be developed, and be used to measure the data of ENPs transport and the signals of streaming potential and zeta potential. In this study, the quartz sand will be coated with colloidal Latosol, Yellow soil and Purple soil to simulate the bulk soil. And then the effect of the transport of two kinds of ENPs, nTiO2 and nAg, on the surface electrochemical properties of bulk soil will be measured. The proposal aims to clarify the mechanism of the transport and retention of ENPs on surface electrochemical properties of bulk soil, combing with the data of column transport experiment and streaming potential measurement. The results will provide a new method for the study of ENPs transport and interaction between charged surfaces.

随着人工纳米粒子在工农业各领域中的广泛应用，其在土壤环境中的运移特征受到越来越多的关注。人工纳米粒子和土体表面均带有电荷，因此人工纳米粒子在土体中的运移过程势必会对土壤的表面电化学性质产生影响，从而影响土壤的理化性质。但由于实验技术的限制，人工纳米粒子在土体中运移对土壤表面电化学性质的影响机制尚不完全清楚。本课题拟基于流动电位原理，研制一款可同时获取纳米颗粒运移特征和土体电荷特征的流动电位测量仪。基于该装置研究不同溶液条件下，两种典型人工纳米粒子（纳米TiO2、纳米Ag）在三种模拟土体（包被砖红壤、黄壤和紫色土胶体的石英砂多孔介质）中运移时对土壤表面电化学性质的改变情况，并揭示人工纳米离子运移影响土壤电荷特征的作用机理。项目的研究成果可望为研究人工纳米粒子在土壤中的环境效应和带电表面间的相互作用提供新的技术手段。

表面带有电荷的人工纳米颗粒在土体中的运移势必会改变土壤的表面电化学性质，从而影响土壤的一系列物理化学过程。但目前尚无十分有效的技术手段表征人工纳米颗粒运移对土壤表面电化学性质的影响程度。本项目基于流动电位原理，自制了可同时进行纳米颗粒运移试验的流动电位测量装置，实现了人工纳米颗粒运移过程中土壤表面电化学性质变化的原位监测，定量表征了不同条件下纳米/胶体颗粒运移对土壤表面电化学性质的改变程度。此外，本项目还进一步扩展电化学技术在土壤学研究中的应用，基于电渗析原理对紫色土的酸化特征开展了研究。具体结果归纳如下：（1）研制了一款基于重力驱动的简易流动电位测量装置。该装置结构简单、模块化设计、造价便宜，可快速和准确测定土体的zeta电位，可同时用于纳米颗粒运移试验和流动电位测量。（2）验证了采用流动电位信号而非zeta电位原位表征土体表面电化学性质的可行性，实现了通过测量土体的流动电位信号原位表征胶体/纳米运移对土体表面电化学性质影响的方法手段，便于我们了解胶体/纳米非稳态运移过程中土体的表面电化学性质变化。（3）具有不同表面电荷特征的人工纳米颗粒对土体的表面电化学性质影响程度不同。相比于纳米Ag颗粒，带有更高表面正电荷量的纳米TiO2颗粒会在运移过程中更快地沉降在表面带负电荷的土体表面，并显著降低土体的表面负电荷量。如在运移达到平衡状态时，1 mg•L-1和10 mg•L-1的TiO2纳米悬液可使土体的zeta电位绝对值分别下降7.1 mV和25.4 mV。（4）借助了用于纯化土壤胶体/纳米的电渗析装置开展了紫色土的酸化特征研究，发现了紫色土的酸化特征具有高交换性盐基离子和交换性酸含量的“双面性”。紫色土在慢速酸化过程中具有较强的酸缓冲能力，而在快速酸化过程中却存在较强的酸害风险。本项目的研究结果有助于扩展和丰富电化学技术手段与方法在土壤化学研究中的应用范畴。