《金屬離子能量和量子狀態對H+-礦物相互作用的影響》是依託西南大學，由劉新敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：金屬離子能量和量子狀態對H+-礦物相互作用的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉新敏
- 依託單位：西南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
離子-土壤礦物顆粒相互作用控制著土壤中眾多的微觀過程與巨觀現象。經典理論認為，這種相互作用主要受到靜電力、色散力、誘導力、離子體積、親水性及疏水性等所控制。研究發現土壤礦物顆粒表面電荷能夠在顆粒/水界面附近形成上億伏特每米的強電場，離子外層電子云的量子漲落被此強電場急劇放大而產生很強的超額極化能。經典理論由於忽略了這一重要能量而不能完整解釋離子-顆粒相互作用中的離子特異性效應。H+與金屬離子差別在於前者沒有電子，不能發生超額的極化作用。但是金屬離子被放大的量子漲落效應對H+-礦物相互作用產生強烈影響。本項目將開展離子-礦物相互作用研究，建立H+與金屬離子混合體系考慮離子能量量子狀態的離子-顆粒相互作用新理論，以期闡明金屬離子能量量子狀態對H+-礦物相互作用的影響，定量表征固/液界面中金屬離子量子漲落的強度，明確H+-礦物相互作用的機制，豐富和發展現有的土壤酸化以及土壤/水界面電化學理論。
結題摘要
金屬離子與土壤礦物相互作用決定著礦物顆粒表面性質以及顆粒間的凝聚與分散，進而控制著土壤中眾多的微觀過程與巨觀現象。經典的離子-顆粒相互作用理論和模型忽略了金屬離子能量和量子狀態對顆粒表面性質和顆粒間相互作用的影響。本項目主要考慮金屬離子能量和量子狀態對H+-礦物相互作用的影響，明確了H+對礦物表面性質的影響；建立了考慮金屬離子外層電子能量的雙電層理論和H+-礦物吸附平衡理論；明確了金屬離子能量和量子狀態對H+-礦物表面原子結合能的影響。具體結果歸納如下：獲得了混合電解質體系下的顆粒界面電位理論，獲得了考慮氫離子和金屬離子能量量子狀態的有效電荷係數，定量表征了固/液界面顆粒表面電位與Stern電位。例如K+因為能量量子狀態有效電荷從1增加到1.699，但是由於Stern層的體積效應從1.699降低至0.240。通過理論分析發現離子體積效應在離子直徑小於0.4 nm，電荷密度低於0.3 C m-2的表面時，可忽略擴散層中離子體積效應，其貢獻小於5%。在離子交換動力學理論方面，建立了考慮離子Hofmeister能量的離子吸附動力學模型。探討了可變電荷土壤顆粒表面離子交換吸附動力學中的離子特異性效應。運用原子力顯微鏡觀察測定了不同濃度條件幾種鹼金屬氯化鹽溶液處理的蒙脫石顆粒在風乾條件下的形貌圖和粘附力，結果發現蒙脫石顆粒聚集存在強烈的離子特異性效應。隨著電解質溶液濃度升高，顆粒凝聚體及表面粘附力增大。建立了考慮離子和帶電粒子之間的相互作用的納米/膠體顆粒表面上離子吸附活化能的評估方法。研究表明Na+與K+的強極化作用顯著降低了顆粒/水界面的電場強度和靜電排斥作用。通過考慮離子極化的顆粒間相互作用的理論計算，發現顆粒間相互作用力決定著土壤水分運動規律。土壤顆粒間的靜電排斥力、范德華引力以及短程的水合斥力共同決定著土壤團聚體的穩定性與土壤孔隙分布。本項目所得結果，有助於豐富和發展現有的土壤酸化以及土壤/水界面電化學理論。
