Nghiên cứu ảnh hưởng của axit silicic đến sự phân tán cấp hạt sét trong đất có thành phần giàu kaolinit và sắt

Nghiên cứu ảnh hưởng của axit silicic đến sự phân tán cấp hạt sét trong đất có thành phần giàu kaolinit và sắt Nghiên cứu ảnh hưởng của axit silicic đến sự phân tán cấp hạt sét trong đất có thành phần giàu kaolinit và sắt luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Đàm Thị Ngọc Thân NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA AXIT SILICIC ĐẾN SỰ PHÂN TÁN CẤP HẠT SÉT TRONG ĐẤT CÓ THÀNH PHẦN GIÀU KAOLINIT VÀ SẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Đàm Thị Ngọc Thân NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA AXIT SILICIC ĐẾN SỰ PHÂN TÁN CẤP HẠT SÉT TRONG ĐẤT CÓ THÀNH PHẦN GIÀU KAOLINIT VÀ SẮT Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số : 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu, tơi nhận quan tâm giúp đỡ nhiệt tình đóng góp quý báu nhiều tập thể cá nhân, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Thổ nhưỡng Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập làm việc suốt thời gian nghiên cứu Đặc biệt, với lòng biết ơn kính trọng sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh - Bộ môn Thổ nhưỡng Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tơi suốt trình thực luận văn Cảm ơn thầy tâm huyết dẫn góp ý để tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln quan tâm động viên, ủng hộ giúp đỡ mặt tài tinh thần, theo sát tơi suốt q trình hồn thiện luận văn Tơi xin cám ơn hỗ trợ kinh phí thực từ đề tài Nafosted (mã số: 105.08 – 2015.01) Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2016 Học viên Đàm Thị Ngọc Thân iii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Silic đất 1.1.1 Các bồn Si đất 1.1.2 Vai trò Si thực vật môi trường đất .10 1.2 Đặc tính keo khống vật sét, yếu tố ảnh hưởng tới phân tán khoáng sét đất 13 1.2.1 Khoáng sét đất hình thành kaolinit đất nhiệt đới .13 1.2.2 Đặc điểm hóa học bề mặt khống sét 15 1.2.3 Đặc tính keo khống sét 16 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính keo tính bền vững hệ keo .17 1.2.5 Vai trị khống sét kaolinit đất với độ phì đất nhiệt đới 19 1.3 Dòng Silic mối quan hệ với đặc tính keo .20 Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Đối tượng nghiên cứu 23 2.1.1 Mẫu đất nghiên cứu 23 2.1.2 Dung dịch axit silicic 24 2.2 Phương pháp nghiên cứu .25 2.2.1 Xác định đặc tính mẫu đất nghiên cứu 25 2.2.2 Xác định đặc tính mẫu sét nghiên cứu 26 2.2.3 Xác định dạng tồn Si đất 26 2.2.4 Thí nghiệm tán xạ ánh sáng phân tán ống nghiệm .27 2.2.5 Xác định khả biến thiên điện động cấp hạt sét đất Phú Hộ, Phú Thọ 29 iv 2.2.6 Xác đinh khả hấp phụ axit silicic cấp hạt sét mẫu đất nghiên cứu 30 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Các tính chất mẫu đất nghiên cứu .32 3.2 Ảnh hưởng axit silicic tới khả phân tán cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt 35 3.3 Ảnh hưởng axit silicic tới biến thiên điện động cấp hạt sét .40 3.4 Sự hấp phụ axit silicic lên cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt .41 3.5 Cơ chế tác động axit silicic tới đặc tính keo cấp hạt sét đất nghiên cứu .42 KẾT LUẬN .47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 51 v CHỮ CÁI VIẾT TẮT ASi Silic vô định hình BSi Silic sinh học CEC Dung tích trao đổi cation CHC Chất hữu DCB Dithionit Citrat Bicarbonat DSi Silic hòa tan iep Điểm đẳng điện (isoelectronic point) PhytOC Cacbon hữu cấu trúc phytolith T% Độ truyền qua (Transmission (%)) ζ Thế điện động zeta (Zeta potential) vi DANH MỤC HÌNH, BẢNG Hình 1.1 Bồn Si đất q trình biến đổi (khơng tính xói mịn, lắng) Hình 1.2 Các dạng silic pha rắn đất Hình 1.3 Các bồn Si sinh học đất .8 Hình 1.4 Sự thay đổi điện tích phần rìa khống sét 15 Hình 1.5 Vịng tuần hồn sinh địa hóa Si tồn cầu 22 Hình 2.1 Vị trí lấy mẫu nghiên cứu 23 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo chế hoạt động máy PCD Mütek 05 29 Hình 3.1 Nhiễu xạ X-ray cấp hạt sét mẫu đất nghiên cứu với quy trình xử lý khác 34 Hình 3.2 (a) Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR (b) ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) cấp hạt sét đất nghiên cứu .34 Hình 3.3 Khả phân tán cấp hạt sét ảnh hưởng nồng độ axit silicic khác pH 3,0 (Bảng - Phụ lục 1) .36 Hình 3.4 Khả phân tán cấp hạt sét ảnh hưởng nồng độ axit silicic khác pH 3,5 (Bảng - Phụ lục 1) .36 Hình 3.6 Khả phân tán cấp hạt sét ảnh hưởng nồng độ axit silicic khác pH 5,0 (Số liệu cụ thể Bảng – Phụ lục 1) 38 Hình 3.7 Sự phân tán cấp hạt sét ảnh hưởng nồng độ axit silicic khác pH 3,5 sau khoảng thời gian 39 Hình 3.8 Biến thiên ζ (a) cấp hạt sét đất nghiên cứu (b) cấp hạt sét loại bỏ Fe 41 Hình 3.9 Thí nghiệm hấp phụ axit silicic lên bề mặt cấp hạt sét đất nghiên cứu 42 Hình 3.10 Cơ chế ảnh hưởng axit silicic tới đặc tính keo kaolinit oxit sắt huyền phù 43 Hình 3.11 Ảnh hưởng pH tới khả phân tán cấp hạt sét với mức nồng độ axit silicic khác (0, 25 mg L-1) .44 Bảng 3.1 Một vài đặc tính lý hóa mẫu đất cấp hạt sét nghiên cứu…33 vii LỜI MỞ ĐẦU Rửa trơi khống sét vấn đề nghiêm trọng xảy phổ biến khu vực đồi núi cao khu đất trống khơng có che phủ thảm thực vật Hiện tượng có liên quan mật thiết tới đặc tính keo cấp hạt sét đất tính linh động hạt đất mức độ bền vững cấu trúc đất Bên cạnh yếu tố thường quan tâm thay đổi pH, nồng độ cation, anion hòa tan dung dịch đất, tương tác khoáng vật đất với hợp chất không mang điện axit silicic, phổ biến đất có ảnh hưởng định tới đặc tính hạt keo đất, chưa ý Silic (Si) nguyên tố giàu thứ hai sau oxy lớp vỏ trái đất (~28%) có mặt hầu hết loại đá mẹ khoáng vật thứ sinh đất [58] Sự tồn Si thường gắn liền với oxy để tạo thành oxit silic Ước tính oxit silic chiếm tới 66,6% lớp vỏ lục địa trái đất Si hòa tan dung dịch đất có nguồn gốc chủ yếu từ hịa tan khống vật ngun sinh thứ sinh [32] Nồng độ Si dung dịch đất loại đất khác khác lên tới mM [34] Trong đất, Si tồn chủ yếu dạng axit mono silicic H4SiO40 bị hấp phụ oxit sắt, nhơm loại khống sét đất Hàng năm, giới, khoảng Tmol Si hòa tan (1 Tmol = 1012 mol) từ đất liền đưa biển thông qua hệ thống sông [27] Như vậy, Si có tương tác với khống vật sét khơng yếu tố ảnh hưởng tới linh động sét mà tác động tới vịng tuần hồn Si Trong điều kiện đất nhiệt đới, kaolinit khống vật chiếm ưu thành phần khoáng vật với tích tụ tương đối sắt, nhơm yếu tố ảnh hưởng định tới đặc tính keo đất Kaolinit khống vật có cấu trúc 1:1, bề mặt mang điện âm vĩnh cửu, bề mặt rìa khống sét mang điện tích biến thiên theo giá trị pH dung dịch đất Trong đất có tính axit, mặt rìa kaolinit mang điện dương, thúc đẩy trình hình thành liên kết bề mặt rìa - bề mặt - cấu trúc card-house dẫn tới tượng keo tụ Axit silicic trường hợp nhiều khả bị hấp phụ lên bề mặt rìa kaolinit lớp vỏ oxit sắt khống vật, làm gián đoạn q trình hình thành cấu trúc cardhouse thúc đẩy phân tán keo sét dung dịch đất Tuy nhiên, ảnh hưởng hấp phụ axit silicic tới khả phân tán khoáng vật sét đất, đặc biệt đất giàu kaolinit sắt, chưa nghiên cứu cách chi tiết Với lý kể trên, đề tài luận văn thạc sĩ khoa học với tên gọi “Nghiên cứu ảnh hưởng axit silicic đến phân tán cấp hạt sét đất có thành phần giàu kaolinit sắt” tiến hành với mục tiêu đặt sau: - Tìm hiểu tương tác hấp phụ axit silicic lên khống vật sét đất có thành phần giàu kaolinit sắt - Cung cấp thông tin ảnh hưởng axit silicic tới đặc tính keo cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt Nội dung nghiên cứu đề tài bao gồm: - Xác định đặc tính keo cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt ảnh hưởng axit silicic yếu tố pH - Xác định biến thiên điện động cấp hạt sét mẫu đất nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi nồng độ axit silicic - Xác định khả hấp phụ axit silicic cấp hạt sét mẫu đất nghiên cứu - Đề xuất chế tác động axit silicic tới khả keo tụ khoáng sét đất giàu kaolinit sắt Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Silic đất 1.1.1 Các bồn Si đất Si nguyên tố phổ biến thứ hai lớp vỏ trái đất với hàm lượng khoảng 28,8% [58] Là nguyên tố có mặt hầu hết loại đá mẹ, đó, Si trở thành nguyên tố có mặt phần lớn loại đất Hàm lượng Si đất khác loại đất khác phụ thuộc vào chất đá mẹ q trình chuyển hóa diễn đất Mặc dù Si nguyên tố có tỷ trọng lớn, quan trọng đất, nhiên ngun tố cịn nhận quan tâm nhà khoa học Hình 1.1 Bồn Si đất trình biến đổi (khơng tính xói mịn, lắng) [54] Trên đất liền, tương tác q trình hóa học sinh học diễn chủ yếu đất Các trình dịch chuyển theo phương thẳng đứng, theo phương ngang trình làm linh động nguyên tố đất theo nhiều phạm vi khác dẫn tới tích lũy Si bồn Si khác đất Theo nguồn gốc, bồn Si đất chia thành loại: bồn Si có nguồn gốc từ khoáng vật đất bồn Si sinh học (Hình 1.1) 86 87 88 89 90 90,976 89,512 89,446 89,316 90,354 98,688 98,688 94,920 95,860 96,927 77,973 75,524 72,536 73,983 79,051 77,255 76,217 76,207 78,500 79,449 73,024 75,253 76,058 73,782 77,192 76,436 78,266 82,746 84,986 80,883 77,639 76,674 79,250 79,383 81,410 Bảng Giá trị độ truyền qua huyền phù sét tương ứng với nồng độ axit silicic khác pH 5,0 Thời gian (phút) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32,558 32,574 32,602 32,582 32,613 32,687 32,723 32,753 32,788 32,807 32,848 32,822 32,920 32,934 32,928 32,991 33,029 33,120 33,117 33,119 33,190 33,107 33,156 33,235 33,318 33,313 33,638 33,583 33,631 33,617 33,606 2,5 27,419 27,092 27,000 26,991 27,115 27,242 27,364 27,465 27,526 27,644 27,715 27,810 27,823 27,908 28,009 28,068 28,065 28,182 28,274 28,266 28,348 28,415 28,491 28,544 28,588 28,718 28,733 28,813 28,846 28,939 28,966 Axit silicic (mg L-1) 10 15 27,938 26,393 28,627 27,885 26,392 28,236 27,837 26,329 28,064 27,780 26,268 27,850 27,735 26,224 27,692 27,749 26,187 27,583 27,746 26,193 27,502 27,748 26,185 27,378 27,704 26,181 27,335 27,665 26,216 27,277 27,614 26,233 27,196 27,573 26,210 27,172 27,578 26,178 27,144 27,549 26,188 27,119 27,530 26,146 27,088 27,559 26,141 27,067 27,539 26,131 27,014 27,529 26,131 26,964 27,491 26,128 26,926 27,500 26,125 26,902 27,478 26,116 26,885 27,471 26,106 26,861 27,475 26,096 26,851 27,459 26,063 26,830 27,456 26,053 26,845 27,441 26,075 26,851 27,422 26,044 26,849 27,456 26,053 26,846 27,475 26,108 26,844 27,515 26,085 26,867 27,512 26,074 26,934 58 20 29,691 29,689 29,734 29,750 29,803 29,795 29,808 29,793 29,790 29,792 29,803 29,774 29,793 29,778 29,789 29,821 29,855 29,908 29,904 29,936 29,912 29,989 30,020 30,042 30,086 30,108 30,172 30,210 30,255 30,311 30,400 25 28,628 28,825 29,101 29,346 29,517 29,902 30,172 30,394 30,595 30,772 30,976 31,145 31,350 31,546 31,758 32,035 32,312 32,583 32,850 33,020 33,142 33,207 33,298 33,396 33,480 33,522 33,566 33,621 33,634 33,668 33,633 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 33,862 33,798 33,786 34,082 34,242 34,443 34,723 34,803 34,856 35,078 35,136 35,479 36,164 36,706 37,235 37,703 38,223 38,697 39,051 39,467 39,800 40,394 41,020 41,550 42,022 42,481 42,962 43,462 43,966 44,426 44,906 45,404 45,888 46,399 46,910 47,351 47,829 48,333 48,841 49,270 49,727 50,146 29,027 29,130 29,159 29,228 29,293 29,318 29,411 29,517 29,620 29,673 29,767 29,776 29,833 29,859 29,911 29,963 30,031 30,090 30,131 30,181 30,218 30,342 30,387 30,558 30,604 30,730 30,699 30,811 30,859 31,007 30,881 30,977 30,990 31,225 31,203 31,338 31,391 31,515 31,626 31,832 31,866 32,139 27,534 27,511 27,524 27,525 27,553 27,530 27,511 27,496 27,448 27,483 27,477 27,489 27,515 27,495 27,472 27,472 27,460 27,524 27,538 27,616 27,639 27,647 27,562 27,597 27,575 27,602 27,570 27,570 27,544 27,541 27,575 27,588 27,583 27,542 27,533 27,582 27,551 27,515 27,512 27,556 27,585 27,717 26,099 26,083 26,115 26,107 26,135 26,156 26,280 26,360 26,231 26,175 26,195 26,219 26,211 26,165 26,176 26,206 26,168 26,154 26,132 26,135 26,132 26,131 26,177 26,236 26,248 26,188 26,294 26,259 26,390 26,405 26,347 26,229 26,269 26,246 26,285 26,275 26,284 26,507 26,438 27,043 26,688 26,480 59 26,983 27,074 27,131 27,214 27,246 27,321 27,361 27,435 27,496 27,543 27,636 27,663 27,777 27,793 27,828 27,823 27,862 27,890 27,893 27,948 28,147 28,138 28,074 28,231 28,169 28,211 28,208 28,318 28,402 28,421 28,444 28,554 28,532 28,575 28,682 28,679 28,652 28,652 28,769 28,869 29,093 29,013 30,438 30,465 30,514 30,557 30,607 30,686 30,721 30,755 30,804 30,875 30,932 30,920 30,951 30,952 31,036 31,029 31,114 31,205 31,235 31,323 31,399 31,444 31,460 31,436 31,507 31,516 31,623 31,644 31,710 31,758 31,666 31,680 31,694 31,648 31,868 31,916 31,851 31,898 31,870 31,881 31,979 31,995 33,624 33,626 33,621 33,611 33,608 33,571 33,566 33,568 33,562 33,596 33,584 33,569 33,561 33,604 33,583 33,573 33,559 33,596 33,599 33,612 33,582 33,547 33,536 33,613 33,753 33,864 33,842 33,775 33,775 33,828 33,801 33,778 33,878 33,924 33,855 33,837 33,909 33,850 33,838 33,842 33,794 33,820 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 50,560 50,979 51,451 51,874 52,338 52,817 53,278 53,728 54,187 54,616 55,038 55,468 55,912 56,324 56,709 57,169 57,626 57,972 32,634 33,260 34,296 35,391 36,534 37,721 38,718 39,855 40,893 41,901 42,992 43,973 44,953 45,899 46,911 47,868 48,887 49,791 27,657 27,698 27,684 27,683 27,747 27,670 27,691 27,747 27,671 27,677 27,746 27,683 27,677 27,759 27,707 27,751 27,637 27,744 26,453 26,570 26,545 26,537 26,663 26,794 26,967 26,968 26,938 26,967 27,073 26,942 26,962 27,124 27,193 27,208 27,240 27,493 28,946 28,946 28,951 29,124 29,242 29,523 29,494 29,437 29,517 29,515 29,602 29,621 29,719 29,742 29,734 29,750 29,679 30,010 32,037 32,029 32,109 32,130 32,259 32,190 32,228 32,251 32,254 32,273 32,347 32,317 32,450 32,460 32,471 32,539 32,503 32,555 33,835 33,866 33,812 33,804 33,751 33,762 33,853 33,929 33,961 33,980 34,066 34,053 34,084 34,094 34,072 34,035 33,966 33,996 Kết hấp phụ axit silicic Bảng Kết thí nghiệm hấp phụ axit silicic Nồng độ đầu vào axit silicic (mg Si L-1) 10 20 30 Lần 79,00 545,75 553,00 Lần 87,75 641,25 453,75 Lần 92,00 568,00 707,00 35 40 884,75 646,75 813,25 723,00 694,75 837,75 Lượng Si bị hấp phụ (mg Kg-1) Mẫu sét Mẫu sét loại sắt 60 Lần 227,00 Lần 154,50 Lần 154,50 625,75 843,25 603,50 742,50 862,75 890,25 562,75 644,50 817,00 1127,00 1113,75 1034,00 Phụ lục Các báo cơng trình cơng bố Minh N Nguyen, Flynn Picardal, Stefan Dultz, Than T.N Dam, Anh V Nguyen, Khai M Nguyen (2016), “Silicic acid as a dispersibility enhancer in a Fe-oxide-rich kaolinitic soil clay”, Geoderma, 286, pp 8–14 Minh N Nguyen, Stefan Dultz, Flynn Picardal, Anh T.K Bui, Quang V Pham, Than T.N Dam, Cu X Nguyen, Nghia T Nguyen, Hoa T Bui (2016), “Simulation of silicon leaching from flooded rice paddy soils in the Red River Delta, Vietnam”, Chemosphere, 145, pp 450 – 456 Dam Thi Ngoc Than, Phung Thi Mai Phuong, Nguyen Ngoc Minh (2016), “Effect of Monomeric Silicic Acid (H4SiO40) on Dispersion of a Kaolinitic Soil Clay: A dynamic Light Scattering Study”, VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, 32, No 3, pp 92-98 61 ... phân tán cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt 35 3.3 Ảnh hưởng axit silicic tới biến thiên điện động cấp hạt sét .40 3.4 Sự hấp phụ axit silicic lên cấp hạt sét đất giàu kaolinit sắt. .. ảnh hưởng axit silicic tới khả phân tán cấp hạt sét đất nghiên cứu (có thành phần giàu kaolinit sắt) , nghiên cứu cung cấp thông tin chi tiết số tính chất đất, đặc điểm khống vật học cấp hạt sét. .. ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng axit silicic đến phân tán cấp hạt sét đất có thành phần giàu kaolinit sắt? ?? tiến hành với mục tiêu đặt sau: - Tìm hiểu tương tác hấp phụ axit silicic lên khống vật sét đất