Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của pH, một số ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất lúa huyện Thanh Trì, Hà Nội

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được thực hiện với mục đích xác định động thái, dạng tồn tại của khoáng sét trong các điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu là tiền đề cần thiết cho các phân tích về sự tích lũy hoặc đồng di chuyển của KLN và khoáng sét trong đất sau này, qua đó tìm ra các giải pháp hạn chế ô nhiễm KLN cũng như hạn chế nguy cơ mất sét, mất dinh dưỡng trong đất khu vực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của pH, một số ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất lúa huyện Thanh Trì, Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA pH, MỘT SỐ ION VÀ CHẤT HỮU CƠ HÒA TAN ĐẾN TRẠNG THÁI KEO SÉT TRONG ĐẤT LÚA HUYỆN THANH TRÌ, HÀ NỘI Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN NGỌC MINH
Hà Nội 2013
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bài luận văn thạc sỹ này, trước hết tôi xin chân thành cảm ơn tới TS. Nguyễn Ngọc Minh, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt bài luận văn này. Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn tới ThS. Chu Anh Đào đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đề tài này. Tôi cũng xin cảm ơn các cô chú, anh chị Trung tâm Kỹ thuật Môi trường và An toàn Hóa chất, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Khoa học Môi trường cùng các thầy cô giáo khoa Khoa học Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, đóng góp ý kiến giúp tôi trong quá trình hoàn thành bài luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Quang Huy
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................ 4 LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 2 1.1. Vị trí địa lý, điều kiện khí hậu – địa chất – thủy văn huyện Thanh Trì ...................... 2 1.1.1. Vị trí địa lý ........................................................................................................................................ 2 1.1.2. Điều kiện khí hậu – thủy văn ......................................................................................................... 2 1.2. Keo đất và khả năng hấp phụ của đất [1] ....................................................................... 4 1.2.1. Khái niệm ......................................................................................................................................... 4 1.2.2. Đặc tính cơ bản của keo đất ........................................................................................................... 6 1.2.3. Phân loại keo đất ............................................................................................................................. 9 1.2.4. Các loại keo sét trong đất .............................................................................................................. 15 1.3. Ảnh hưởng của một số tính chất lý hóa đến đặc tính keo của khoáng sét trong đất 21 ..................................................................................................................................................... CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 ................................................................................................................................. 2.1. Đối tượng nghiên cứu. ...................................................................................................... 24 2.2. Nội dung nghiên cứu. ......................................................................................................... 24 2.3. Phương pháp nghiên cứu. ................................................................................................. 24 2.3.1. Tách cấp hạt sét. ............................................................................................................................ 24 2.3.2. Xác định các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất. .................................................................... 25 2.3.3. Tách chiết axit humic ..................................................................................................................... 25 2.3.4. Xác định thành phần khoáng sét .................................................................................................... 26 2.3.5. Thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm ........................................................................................ 26 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 28 3.1. Một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu ............................................ 28 3.2. Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu ....................................................... 30 3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu .................................................................................................................................. 32 3.3.1. Ảnh hưởng của pH ......................................................................................................................... 32 3.3.2. Ảnh hưởng của cation .................................................................................................................... 34 3.3.3. Ảnh hưởng của anion ..................................................................................................................... 38 3.3.4. Ảnh hưởng của axit humic ............................................................................................................. 40 3.4. Ảnh hưởng của nước tưới tới trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu ..................... 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 47
DANH MỤC BẢNG MỤC LỤC................................................................................................................ 4 LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................2 1.1. Vị trí địa lý, điều kiện khí hậu – địa chất – thủy văn huyện Thanh Trì......................2 1.1.1. Vị trí địa lý........................................................................................................................................2 1.1.2. Điều kiện khí hậu – thủy văn.........................................................................................................2 1.2. Keo đất và khả năng hấp phụ của đất [1].......................................................................4 1.2.1. Khái niệm.........................................................................................................................................4 1.2.2. Đặc tính cơ bản của keo đất...........................................................................................................6 a. Keo đất có tỷ diện lớn.......................................................................................................................6 b. Keo đất có năng lượng bề mặt.........................................................................................................7 c. Keo đất có mang điện........................................................................................................................7 d. Trạng thái tồn tại của keo đất..........................................................................................................7 1.2.3. Phân loại keo đất.............................................................................................................................9 a. Dựa vào tính mang điện.....................................................................................................................9 b. Dựa vào thành phần hoá học...........................................................................................................11 1.2.4. Các loại keo sét trong đất..............................................................................................................15 a. Ðặc điểm chung của keo sét...........................................................................................................15 b. Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính............................................................................................17 c. Keo sét trong đất Việt Nam.............................................................................................................20 1.3. Ảnh hưởng của một số tính chất lý hóa đến đặc tính keo của khoáng sét trong đất .....................................................................................................................................................21 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................................. 24 2.1. Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................................24 2.2. Nội dung nghiên cứu..........................................................................................................24 2.3. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................24 2.3.1. Tách cấp hạt sét.............................................................................................................................24 2.3.2. Xác định các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất.....................................................................25 2.3.3. Tách chiết axit humic.....................................................................................................................25 2.3.4. Xác định thành phần khoáng sét....................................................................................................26 2.3.5. Thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm........................................................................................26 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.............................28 3.1. Một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu............................................28 3.2. Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu.......................................................30
3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu..................................................................................................................................32 3.3.1. Ảnh hưởng của pH.........................................................................................................................32 3.3.2. Ảnh hưởng của cation....................................................................................................................34 3.3.3. Ảnh hưởng của anion.....................................................................................................................38 3.3.4. Ảnh hưởng của axit humic.............................................................................................................40 3.4. Ảnh hưởng của nước tưới tới trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu.....................42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................47
DANH MỤC HÌNH MỤC LỤC................................................................................................................ 4 LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................2 1.1. Vị trí địa lý, điều kiện khí hậu – địa chất – thủy văn huyện Thanh Trì......................2 1.1.1. Vị trí địa lý........................................................................................................................................2 1.1.2. Điều kiện khí hậu – thủy văn.........................................................................................................2 1.2. Keo đất và khả năng hấp phụ của đất [1].......................................................................4 1.2.1. Khái niệm.........................................................................................................................................4 1.2.2. Đặc tính cơ bản của keo đất...........................................................................................................6 a. Keo đất có tỷ diện lớn.......................................................................................................................6 b. Keo đất có năng lượng bề mặt.........................................................................................................7 c. Keo đất có mang điện........................................................................................................................7 d. Trạng thái tồn tại của keo đất..........................................................................................................7 1.2.3. Phân loại keo đất.............................................................................................................................9 a. Dựa vào tính mang điện.....................................................................................................................9 b. Dựa vào thành phần hoá học...........................................................................................................11 1.2.4. Các loại keo sét trong đất..............................................................................................................15 a. Ðặc điểm chung của keo sét...........................................................................................................15 b. Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính............................................................................................17 c. Keo sét trong đất Việt Nam.............................................................................................................20 1.3. Ảnh hưởng của một số tính chất lý hóa đến đặc tính keo của khoáng sét trong đất .....................................................................................................................................................21 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................................. 24 2.1. Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................................24 2.2. Nội dung nghiên cứu..........................................................................................................24 2.3. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................24 2.3.1. Tách cấp hạt sét.............................................................................................................................24 2.3.2. Xác định các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất.....................................................................25 2.3.3. Tách chiết axit humic.....................................................................................................................25 2.3.4. Xác định thành phần khoáng sét....................................................................................................26 2.3.5. Thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm........................................................................................26 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.............................28 3.1. Một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu............................................28 3.2. Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu.......................................................30
3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu..................................................................................................................................32 3.3.1. Ảnh hưởng của pH.........................................................................................................................32 3.3.2. Ảnh hưởng của cation....................................................................................................................34 3.3.3. Ảnh hưởng của anion.....................................................................................................................38 3.3.4. Ảnh hưởng của axit humic.............................................................................................................40 3.4. Ảnh hưởng của nước tưới tới trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu.....................42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................47
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AH Axit humic CEC Dung tích trao đổi cation CHC Chất hữu cơ KĐ Kinh độ Đông KLN Kim loại nặng TPCG Thành phần cơ giới VB Vĩ độ Bắc
LỜI MỞ ĐẦU Sự tồn tại của khoáng sét trong môi trường nước sẽ hình thành một hệ keo, có thể là hệ tán keo (phân tán) hay hệ tụ keo (keo tụ). Hệ tán keo tạo ra trạng thái bền vững nhiệt động cho dung dịch. Trong khi đó, hệ tụ keo là không bền vững về mặt nhiệt động và có xu hướng tạo ra các đoàn lạp liên kết lớn hơn thông qua quá trình tái liên kết của các hạt để làm giảm sức căng bề mặt. Trạng thái tồn tại của khoáng sét (tán keo, tụ keo) trong đất sẽ quyết định độ bền cơ học của đất, khả năng giữ nước, giữ dinh dưỡng cũng như khả năng tích lũy KLN trong đất. Các yếu tố môi trường như pH, các ion, chất hữu cơ hòa tan có khả năng tác động tới khoáng sét thông qua nhưng cơ chế riêng biệt và ảnh hưởng tới dạng tồn tại của khoáng sét. Môi trường đất trồng lúa nước là một dạng môi trường đặc thù. Việc dẫn nước vào ruộng đã làm giảm rất mạnh quá trình trao đổi khí thông thường giữa đất và khí quyển. Do canh tác trong điều kiện ngập nước, trạng thái khử chiếm ưu thế trong đất làm cho tính chất của đất diễn biến theo chiều hướng khác nhiều so với đất ban đầu khi chưa trồng lúa, hình thành loại đất mới với những đặc tính đặc trưng. Tác động của nước tưới đối với môi trường đất lúa không chỉ dừng lại ở việc làm thay đổi trạng thái ngập nước mà thành phần nước tưới, tính chất nước tưới cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định. Trên cơ sở đó đề tài:”Nghiên cứu ảnh hưởng của pH, một số ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất lúa huyện Thanh Trì, Hà Nội”. Được thực hiện với mục đich xác định động thái, dạng tồn tại của khoáng sét trong các điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu là tiền đề cần thiết cho các phân tích về sự tích lũy hoặc đồng di chuyển của KLN và khoáng sét trong đất sau này, qua đó tìm ra các giải pháp hạn chế ô nhiễm KLN cũng như hạn chế nguy cơ mất sét, mất dinh dưỡng trong đất khu vực. 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vị trí địa lý, điều kiện khí hậu – địa chất – thủy văn huyện Thanh Trì 1.1.1. Vị trí địa lý Thanh Trì là một huyện nằm ở phía Đông nam Hà Nội, với diện tích 63,17km2 Huyện có 1 thị trấn và 15 xã. Phía Bắc giáp quận Hoàng Mai. Phía Tây Bắc giáp quận Thanh Xuân. Phía Tây giáp Hà Đông. Phía Đông giáp huyện Gia Lâm. Phía Nam giáp Thanh Oai, Thường Tín. 1.1.2. Điều kiện khí hậu – thủy văn Khí hậu. Huyện Thanh Trì nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với 2 mùa chủ yếu trong năm: Mùa nóng và mùa lạnh. Các tháng 4, 10 được coi như những tháng chuyển tiếp tạo cho Thanh Trì có 4 mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông. Nhiệt độ trung bình của năm là 23,90C. Nắng trung bình năm 1640 giờ. Bức xạ trung bình 4272 Kcal/m2/tháng. Lượng mưa trung bình năm 1649 mm, lượng bốc hơi trung bình năm 938 mm. Độ ẩm không khí trung bình năm 83%. Trong năm có hai mùa gió chính: Gió mùa Đông nam và gió mùa Đông bắc. Hàng năm chịu ảnh hưởng trực tiếp của khoảng 5 – 7 cơn bão. Bão mạnh nhất lên tới cấp 9, cấp 10. Bão thường trùng với thời kỳ nước sông Hồng lên cao đe dọa không chỉ sản xuất nông nghiệp và cả đời sống của người dân. Do chịu ảnh hưởng mạnh của gió mùa nên khí hậu ở đây biến động thất thường, ảnh hưởng sâu sắc tới mùa vụ trong sản xuất nông nghiệp và cả quá trình sinh trưởng của các loại cây trồng. Thanh Trì có mùa đông lạnh và khô nhưng chỉ trong thời gian ngắn đầu mùa Đông, đầu mùa Xuân nhiệt độ không khí đã ẩm lên, có mưa phùn lên độ ẩm cao phù hợp với các loại rau, quả ôn đới phát 2
triển. Nếu đảm bảo được các điều kiện vật tư, kỹ thuật có thể phát triển cây vụ Đông rải rộng trên diện tích đất canh tác của huyện. Thủy văn. Trên địa bàn huyện có các sông lớn chảy qua như sông Hồng, sông Nhuệ, sông Tô Lịch, sông Ngừ, sông Sét, sông Kim Ngưu… Bên cạnh đó còn có một diện tích lớn hồ đầm với các hồ đầm như Yên Sở, Linh Đàm, Định Công, Pháp Vân. Chế độ thủy văn của các sông trong huyện chịu ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp của chế độ thủy văn sông Hồng và được phân thành 2 mùa khá rõ rệt: Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10, và mùa cạn từ tháng 5 năm sau. Địa chất – địa mạo: Toàn huyện có 6 loại đất chính sau: Đất phù sa không được bồi, glây yếu: Diện tích khoảng 2422 ha phân bố ở những nơi có địa hình cao và trung bình, tập trung ở các xã Định Công, Đại Kim, Thanh Liệt, Hoàng Liệt, Tam Hiệp… Đất có màu nâu tươi hay nâu xám, pH từ trung tính đến ít chua, thành phần cơ giới từ cát pha đến thịt nặng, các chất dinh dưỡng tổng số từ khá đến giàu, các chất dễ tiêu khá. Đây là loại đất thuận lợi cho phát triển cây thực phẩm, cây lương thực và các loại hoa màu. Đất phù sa không được bồi có glây: Diện tích 1715 ha, phân bố tập trung ở các xã Tả Thanh Oai, Đại Áng và Tân Triều, nằm ở nơi có địa hình thấp. Đất có glây màu xám xanh, dẻo, thành phần cơ giới trung bình đến nặng, độ phì nhiêu tiềm tàng khá, nghèo lân dễ tiêu. Đất phù sa ít được bồi, trung tính, kiềm yếu: Diện tích 739 ha phân bố ở dải đất ngoài đê sông Hồng thuộc các xã Lĩnh Nam, Trần Phú, Yên Mĩ, Duyên Hà và Vạn Phúc. Phần lớn loại đất này có thành phần cơ giới cát pha, khả năng giữ màu, giữ nước kém và không bị chua. Đất phù sa không được bồi, glây mạnh: Diện tích 60 ha nằm rải rác ở những nơi trũng, lòng chảo thuộc các xã Đại Kim, Thanh Liệp, Tứ Hiệp và Ngũ Hiệp, hàng năm bị ngập nước liên tục vào mùa hè, nên đất thường ở trong 3
tình trạng yếm khí, tỷ lệ mùn khá, độ chua pH từ 4,5 – 6 do ảnh hưởng của chất hữu cơ chưa phân giải. Đất phù sa được bồi hàng năm trung tính kiềm yếu: Diện tích 197 ha, phân bố thành dải đất dọc theo bờ sông Hồng ở các xã Thanh Trì, Lĩnh Nam, Vạn Phúc, Yên Sở và Duyên Hà. Nơi có địa hình cao, đất có thành phần cơ giới nhẹ, nơi đất thấp có thành phần cơ giới trung bình đến nặng. Nhìn chung loại đất này là một trong những loại đất tốt, chủ yếu trồng màu và những cây công nghiệp ngắn ngày, có năng suất cao. Đất cồn cát, bãi ven sông: Diện tích 99 ha nằm ở ngoài bãi sông Hồng thuộc xã Vạn Phúc, Thanh Trì, Lĩnh Nam. Hàng năm, nước ngập bãi cát được bồi thêm hoặc bị cuốn đi, do đó địa hình địa mạo luôn bị thay đổi. Cát có phản ứng trung tính, độ phì kém. Hiện tại một phần nhỏ diện tích được sử dụng khai thác cát phục vụ xây dựng, còn lại bỏ hoang. Khu vực đất còn lại gồm: Đất có mặt nước, sông suối, đất khu dân cư có tổng diện tích 4160 ha. 1.2. Keo đất và khả năng hấp phụ của đất [1] 1.2.1. Khái niệm Ðất là một hệ thống đa phân tán phức tạp bao gồm các hạt có kích thước khác nhau. Keo đất là những hạt rất ít tan trong nước, có đường kính rất nhỏ. Về kích thước của hạt keo giữa một số tác giả không thống nhất. Theo Garrison Sposito (1939) đường kính hạt keo dao động từ 0,01 10 µm (1 µm = 106 m), hoặc nhỏ hơn 1 µm theo Brian L. McNeal (1966), hoặc nhỏ hơn 0,2 µm theo A.E. Vozbutskaia (1968) hoặc bán kính nhỏ hơn 1 µm theo Van Olphen (1977),... Do kích thước của keo nhỏ như thế nên chúng thường lơ lửng trong dung dịch, có thể chui qua giấy lọc phổ thông và chỉ quan sát được cấu tạo của chúng bằng kính hiển vi điện tử. Số lượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 – 2% (đất cát) đến 40 – 50% khối lượng đất (đất sét nặng). Ngay cả khi có hàm lượng rất nhỏ trong đất, keo đất vẫn là đại diện chủ yếu cho khả năng hấp phụ của đất. 4
Trong đất có keo vô cơ, keo hữu cơ và keo phức tạp hữu cơ – vô cơ. Những keo vô cơ được tạo thành do tác dụng phong hoá đá hoặc do sự ngưng tụ các phân tử trong dung dịch, keo hữu cơ tạo thành do quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất. Keo vô cơ kết hợp với keo hữu cơ thành keo hữu cơ – vô cơ. Cấu tạo chung của keo đất (hình 1) như sau: Phần trong cùng của hạt keo (mixen keo) là nhân keo, đó là một hợp chất phức tạp có cấu tạo vô định hình hoặc tinh thể. Thông thường keo vô cơ có nhân là axit silisic, nhôm silicat, oxít sắt, oxít nhôm... Keo vô cơ bền, nó chỉ bị phá huỷ sau một thời gian dài. Keo hữu cơ có nhân là axit humic, axit fulvic, protit hoặc xenlulo. Keo hữu cơ kém bền, nó có thể bị phá huỷ rồi lại tạo thành ngay từ các sản phẩm phân giải xác động, thực vật. Ion khu Lí Õch p Lí ®iÖ Ion kh« p ng nb t¸ ®i Mi dÞc n Ön ï xe h nk Du kÐ eo Ion quy p ng Õt chu H¹ t ®Þ keo yÓn nh dÞch thÕ V i l¹ p quanh Nh©n + + keo + + + + + + + Hình 1: Sơ đồ cấu tạo mixen keo (theo N.I. Gorbunov) Theo Gorbunov keo đất có cấu tạo như sau: Trong cùng là nhân keo, trên mặt nhân keo có lớp điện kép, lớp nằm sát hạt nhân gọi là lớp ion quyết định thế, lớp ion ngoài mang điện trái dấu gọi là lớp ion bù. Ða số ion của lớp ion bù nằm sát lớp ion quyết định thế gọi là tầng ion không di chuyển, những ion còn lại nằm xa cách tầng ion quyết định thế làm thành tầng ion khuếch tán. Ða số keo đất có lớp ion quyết định thế mang điện âm. Ðiều cần lưu ý là trong đất những ion trên lớp điện bù có thể trao đổi với những ion trong dung 5
dịch tiếp xúc với nó nên gọi là "tầng ion trao đổi". Tổng số cation trên tầng ion trao đổi tính bằng số ly đương lượng gam (meq) trong 100 gam đất khô gọi là dung tích hấp phụ của đất. Keo đất giữ vai trò rất quan trọng vì chúng quyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá hoc, đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất. Bởi vậy những lý luận về keo được vận dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân loại đất, cải tạo đất và bón phân cho đất. 1.2.2. Đặc tính cơ bản của keo đất Khi nghiên cứu keo đất người ta thấy có 4 đặc tính quyết định nhiều tính chất cơ bản của đất là: a. Keo đất có tỷ diện lớn Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn khối lượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3). Diện tích bề mặt của các hạt có kích thước khác nhau được thể hiện ở bảng 1. Keo đất có kích thước rất bé nên tỷ diện của nó rất lớn. Theo số liệu ở bảng 1, số lượng keo đất chỉ bằng 4% khối lượng pha rắn của đất, nhưng có diện tích bề mặt bằng 80% tổng diện tích bề mặt của đất. Như vậy đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là đất cát. Bảng 1: Vai trò của kích thước hạt trong sự hình thành diện tích bề mặt của đất thịt trung bình Kích thước hạt Hàm lượng Diện tích bề mặt % bề mặt tổng (mm) (%) (m2/1g đất) số 0,25 0,05 17 0,5 0,2 0,05 0,01 50 4,1 1,7 0,01 0,005 20 9,9 4,1 0,005 0,001 6 12,7 5,2 0,001 0,0001 3 18,8 7,8 6
0,0001 4 194,0 81,0 Tổng số 100 240,0 100,0 b. Keo đất có năng lượng bề mặt Các phân tử trong hạt keo chịu những lực tác động xung quanh như nhau nên không có gì đặc biệt. Phân tử trên bề măt hạt keo chịu các lực tác động xung quanh khác nhau vì nó tiếp xúc với thể lỏng hoặc thể khí bên ngoài. Do các lực này không thể cân bằng lẫn nhau được, từ đó sinh ra năng lượng tự do, sinh ra năng lượng bề mặt chỗ tiếp xúc giữa các hạt keo với môi trường xung quanh. Thành phần cơ giới đất càng nặng thì tỷ diện càng lớn và do đó năng lượng bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ vật chất càng cao. c. Keo đất có mang điện Ðây là một đặc tính rất quan trọng của keo đất mà các hạt đất có kích thước lớn không có. Do hạt keo có kích thước rất nhỏ nên hạt nhân của keo có thể hấp phụ lên trên bề mặt các ion khác nhau. Sự hấp phụ này phụ thuộc vào bản chất của keo. Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất có thể mang điện âm hoặc điện dương. Trong đất có keo âm, keo dương và keo lưỡng tính. Phần lớn keo đất mang điện âm. d. Trạng thái tồn tại của keo đất Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khác nhau: Trạng thái keo tán (sol) và trạng thái keo tụ (gel). Khi những hạt keo phân bố trong một thể tích nước thì chúng nằm xa cách nhau, đó là trạng thái sol (hay hydrosol). Trong trường hợp này môi trường phân tán là nước, tướng phân tán là các hạt keo. Như thế sol chỉ keo ở trạng thái lơ lửng trong chất lỏng. Hiện tượng này do các nguyên nhân: Do thế điện động (điện thế zeta) làm cho các hạt keo đẩy nhau không tiến lại gần nhau được, hoặc do màng nước bao bọc ngoài keo ngăn cản không cho chúng dính liền nhau. Song trong thiên nhiên lại có cả quá trình ngưng tụ, nghĩa là quá trình biến sol thành gel. Quá trình này chỉ xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy. Sự ngưng tụ keo có thể do những nguyên nhân chính sau: 7
+ Keo ngưng tụ do tác dụng của chất điện giải: Đây là nguyên nhân chủ yếu. Ion chất điện giải tiếp xúc với hạt keo, điện của keo sẽ bị trung hoà bởi ion mang điện trái dấu. Ta biết, đa số keo đất mang điện âm nên nói chung chúng bị ngưng tụ do có cation trong dung dịch đất. Do chất điện giải là một muối, các ion của muối này hydrat hoá lấy nước của hạt keo, làm giảm bề dày màng nước giúp cho chúng có thể gần nhau; mặt khác ion muối ngăn cản khả năng điện phân của các cation trao đổi làm giảm điện thế zeta. Cả 2 nguyên nhân đó dẫn tới hiện tượng keo đất liên kết với nhau mà ngưng tụ. Hoá trị của cation càng cao thì sức ngưng tụ keo càng mạnh. Nghiên cứu sự ngưng tụ keo sét Gedroiz thấy rằng s ức ng ưng t ụ c ủa cation hoá trị 2 lớn gấp 25 lần cation hoá trị 1, cation hoá trị 3 gấp 10 lần cation hoá trị 2 ( bảng 2). Các cation hoá trị 1 như Na+, K+, H+ có tác dụng ngưng tụ nhưng không bền, khi chất điện giải trong dung dịch b ị rửa trôi thì xảy ra hiện tượng tán keo. Bảng 2: Sự ngưng tụ keo sét phụ thuộc hoá trị chất điện giải Nồng độ chất điện giải khi Hoá trị Chất điện giải keo bắt đầu ngưng tụ (N) 1 NaCl 0,015 0,0125 1 NH4Cl 0,025 0,0125 1 KCl 0,025 0,0125 2 MgCl2 0,0012 0,0005 2 CaCl2 0,0012 0,0005 3 AlCl3
quanh nên dễ ngưng tụ, chỉ cần dùng dung dịch muối nồng độ thấp. Trái lại các keo ưa nước chỉ ngưng tụ trong trường hợp chất điện giải ở nồng độ cao. Những lúc thời tiết hanh khô hoặc hạn hán kéo dài làm cho đất khô thì keo ưa nước cũng có thể ngưng tụ do màng nước quanh nó bị mất. + Keo ngưng tụ do sự liên kết hai hạt keo mang điện trái dấu: Như trên đã nói, đa số keo đất mang điện âm. Tuy nhiên vẫn gặp một số keo mang điện dương như keo Fe(OH)3, Al(OH)3, khi keo âm và keo dương kết hợp với nhau, sau lúc trung hoà điện tạo thành gel hỗn hợp. Nếu số lượng keo âm nhiều gấp bội keo dương thì các keo âm bao bọc keo dương tạo thành màng bảo vệ mang điện âm, kết quả lại tạo thành sol. 1.2.3. Phân loại keo đất Những keo đất phổ biến là axit humic, axit silicic, hydroxit sắt, nhôm và keo sét. Nói chung hàm lượng keo phụ thuộc tỷ lệ sét và mùn trong đất, đất càng nhiều sét và mùn thì càng chứa nhiều keo. Người ta phân loại keo đất dựa vào các yếu tố sau: a. Dựa vào tính mang điện Theo tính mang điện của keo, có thể chia keo đất thành các loại: Keo âm, keo dương và keo lưỡng tính. + Keo âm (asidoit) Trên mặt nhân keo mang điện âm hay nói cách khác là lớp ion quyết định thế là những anion. Các ion trên lớp điện bù là H+ hoặc các cation khác. Ký hiệu keo âm là XH. Trong đất, keo âm chiếm đa số. Thường gặp là axit silicic, axit humic, keo sét... Ví dụ cấu tạo keo axit silicic như hình 2. Phân tử axit silicic trên bề mặt hạt nhân phân ly thành các ion: H2SiO3 = 2H+ + SiO32 Anion SiO32 được hấp phụ ngay trên bề mặt hạt nhân làm thành tầng ion quyết định thế. H+ là ion bù phân phối ở tầng ion không di chuyển và khuếch tán. 9
khuÕch t¸ Ion n n kh«ng di chu Io yÓ n q.®thÕh n i Öu Io + Nh©n SiO 2 H+ 3 H+ SiO2 yH2O SiO3 2 + + H+ SiO32 + SiO32 H+ H+ + + H+ + H+ + H+ Hình 2: Sơ đồ cấu tạo keo âm (theo Gorbunov) + Keo dương (Basidoit) Trên lớp ion quyết định thế hiệu là các cation, còn ở lớp điện bù là ion OH và các anion khác. Ký hiệu keo dương là XOH. Các keo dương thường gặp trong đất là Fe(OH)3, Al(OH)3 (trong môi trường axit). Cũng có thể là kaolinit do quá trình ion hoá tạo thành keo dương: ...O3SiO2(OH)Al2(OH)3 D [...O3SiO2(OH)Al2(OH)2]+ + OH Ví dụ cấu tạo keo Fe(OH)3 (hình 3) khuÕch t¸ n Ion kh«ng di chu Ion yÓn ® t q. hÕh n i Öu Io + Nh©n FeO+ Cl + FeO+ Cl Fe(OH)3 + FeO+ + Cl FeO+ + FeO+ Cl Cl Hình 3: Sơ đồ cấu tạo keo dương (theo Gorbunov) Keo này tạo thành do sự thuỷ phân FeCl3 FeCl3 + 3H2O D Fe(OH)3 + 3HCl 10