Sự ảnh hưởng của axit silicic tới đặc tính keo của gơtit được tiến hành trên ống nghiệm với sự có mặt của ion SiO44- ở các nồng độ khác nhau, quy trình được thực hiện như mục 2.2.4. Kết quả thí nghiệm phân tán gơtit trên ống nghiệm cho thấy: ở các nồng độ khác nhau, axit silicic có khả năng thúc đẩy phản ứng tán keo với tốc độ khác nhau, và nhìn chung ở nồng độ càng cao thì tốc độ keo tán càng mạnh hơn.
Nồng độ ban đầu của Si trong dung
21
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
EB 0,01 molc L-1 pH 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T% 0 10 20 30 40 50 60 0 mg L-1
Hình 7. Khả năng phân tán của gơ tit trong môi trường không có axit silicic ở EB 0,01 molc L-1
Đối với nền điện ly 0,01 molc L-1, trong môi trường không có axit silicic, gơtit thể hiện đặc tính keo một cách rõ rệt: tán keo ở các pH thấp (< 3) và các pH rất cao (> 11), khoảng tụ keo được xác định trong khoảng pH 3 – 11. Sự biến thiên về điện tích bề mặt của gơtit dưới ảnh hưởng của axit silicic dẫn tới biến đổi về đặc tính keo của khoáng vật này. Kết quả được thể hiện trên Hình 8, 9 cho thấy rõ mối tương quan giữa nồng độ Si trong dung dịch và phản ứng tụ keo - tán keo của gơtit. Khi có sự có mặt ở axit silicic, khoảng tụ keo của khoáng vật này thu hẹp lại, tùy vào mức nồng độ của dung dịch axit silicic bổ sung ban đầu mà phản ứng tán keo - tụ keo của gơtit cũng tỏ ra khác biệt. Kết quả độ truyền qua đo được được thể hiện trên Bảng 1.
22
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
Bảng 1. Ảnh hưởng của axit silicic tới khả năng phân tán của gơtit ở nền điện ly 0,01 molc L-1 Độ truyền qua (T%) Nồng độ Si ban đầu 0 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 10 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 20 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 40 mg L-1 pH T% pH T% pH T% pH T% pH T% 3,14 12,8 3,01 1,8 2,88 1,3 3,15 15,1 3,20 6,0 3,41 41,6 3,74 1,5 4,34 0,9 3,54 40,9 4,00 46,2 4,82 48,9 4,70 0,9 6,13 48,5 3,93 44,7 4,88 55,6 5,67 51,7 6,34 50,0 7,37 56,8 4,60 49,8 5,81 54,5 7,18 55,5 7,13 53,4 8,63 56,4 7,00 49,2 7,09 53,8 8,94 56,5 8,47 48,8 9,46 18,8 7,21 49,4 7,34 51,8 10,35 53,1 9,97 2,7 7,93 51,5 7,85 43,9 10,76 41,6 9,93 1,7 9,54 1,3 11,69 1,9
23
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
EB 0,01 molc L-1 pH 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T% 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10
Hình 8. Ảnh hưởng của axit silicic ở các mức nồng độ thấp (5 và 10 mg L-1) tới đặc tính keo của gơtit ở EB 0,01 molc L-1
Ở các mức nồng độ axit silicic thấp là 5 và 10 mg L-1, phản ứng tán keo được thúc đẩy ở ngay các pH thấp (3-5). Sự có mặt của axit silcic trong dung dịch ở các mức nồng độ này đã thu hẹp khoảng tụ keo của khoáng vật keo của gơtit chỉ diễn ra trong khoảng pH 5 – 10.
EB 0,01 molc L-1 pH 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T% 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40
Hình 9. Ảnh hưởng của axit silicic ở các mức nồng độ cao (20 và 40 mg L-1) tới đặc tính keo của gơtit ở EB 0,01 molc L-1
Ở các mức nồng độ cao hơn (20 và 40 mg L-1), sự có mặt của axit silicic tác động đến đặc tính keo của gơtit cũng đưa tới những kết quả khác biệt. Không giống như ở các nồng độ thấp, các mức nồng độ axit silicic là 20 và 40 mg L-1
Nồng độ ban đầu của Si trong dung
dịch (mg L-1) Nồng độ ban đầu của Si trong dung dịch
24
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
ở các pH thấp không thể hiện vai trò thúc đẩy tán keo mà chỉ thể thể hiện vai trò này một cách rõ nét ở các pH 9 – 10. Khoảng tụ keo của khoáng vật gơtit dưới ảnh hưởng của axit silicic ở các nồng độ này thu hẹp và chỉ diễn ra trong khoảng pH >3 đến ~10.
Như vậy, ở EB 0,01 molc L-1có thể chia ảnh hưởng của axit silicic theo hai nhóm: nhóm nồng độ thấp (5 và 10 mg L-1) thúc đẩy tán keo và làm khoảng tụ keo của gơtit thu hẹp chỉ diễn ra trong khoảng pH 5 – 10; nhóm nồng độ cao (20 và 40 mg L-1) thúc đẩy tán keo và làm khoảng tụ keo thu hẹp, diễn ra ở khoảng pH > 3 đến ~10.
Với nền điện ly EB 0,05 molc L-1, mức nền điện ly tăng lên đồng nghĩa với hiện tượng tụ keo xảy ra nhanh và mạnh mẽ hơn, minh chứng là trong khoảng pH 3 - 12, gơtit chỉ thể hiện phản ứng tán keo ở các pH rất thấp (< 3). (Hình 10)
Sự biến thiên về độ truyền qua giữa các mức nồng độ khác nhau trở nên rõ rệt hơn ở mức nền điện ly 0,05 molc L-1. Trên nền điện ly này, sự có mặt của axit silicic ở nồng độ thấp (5 và 10 mg L-1) cũng có vai trò thúc đẩy tán keo, tuy nhiên chỉ thể hiện vai trò này ở pH rất cao (pH 11), phản ứng tán keo diễn ra không hoàn toàn.
Bảng 2. Ảnh hưởng của axit silicic tới khả năng phân tán của gơtit ở nền điện ly 0,05 molc L-1 Độ truyền qua (T%) Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 0 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 5 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 10 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 20 mg L-1 Nồng độ Si ban đầu 5 mg L-1 40 mg L-1 pH T% pH T% pH T% pH T% pH T% 2,91 1,5 2,87 1,3 2,90 2,2 2,81 1,4 2,89 1,3 4,46 33,6 4,51 20,3 3,84 4,0 3,79 15,9 3,79 18,2 5,74 50,2 5,49 38,4 4,69 20,5 5,39 42,0 5,22 35,5
25
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
7,23 50,7 6,95 49,2 6,88 51,2 6,18 50,2 7,16 46,6 7,55 50,5 7,47 51,4 7,10 45,9 7,36 49,7 7,67 46,7 8,60 55,9 8,91 55,1 9,34 47,7 8,62 47,0 8,49 25,4 9,98 50,5 9,19 51,6 9,93 43,6 9,29 40,8 9,39 14,5 11,14 48,9 10,45 45,6 10,31 44,1 10,52 26,0 10,09 1,5 11,25 29,6 11,41 28,9 11,37 24,4 10,15 1,2 EB 0,05 molc L-1 pH 3 4 5 6 7 8 9 10 11 T% 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10
Hình 10. Ảnh hưởng của axit silicic ở các mức nồng độ thấp (5 và 10 mg L-1) tới đặc tính keo của gơtit ở EB 0,05 molc L-1
Sự thúc đẩy tán keo thể hiện rõ hơn ở các nồng độ axit silicic cao hơn, đặc biệt ở mức nồng độ 40 mg L-1, phản ứng tán keo xảy ra hoàn toàn ở pH 10, duy trì phản ứng tụ keo trong khoảng pH 5 – 9.
Nồng độ ban đầu của Si trong dung
26
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
EB 0,05 molc L-1 pH 3 4 5 6 7 8 9 10 11 T% 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40
Hình 11. Ảnh hưởng của axit silicic ở các mức nồng độ cao (20 và 40 mg L-1) tới đặc tính keo của gơtit ở EB 0,05 molc L-1
Như vậy, ở EB 0,05 molc L-1, nồng độ axit silicic 40 mg L-1 có tác dụng thúc đẩy tán keo mạnh mẽ nhất, duy trì phản ứng tụ keo trong khoảng pH 5 – 9. Ngoài khoảng này, phản ứng tán keo xảy ra với bước chuyển về độ truyền qua T% từ 46,7% (pH ~ 8) xuống 1,2% (pH ~ 10). Tại pH 11, mức độ tán keo tăng tương ứng với mức tăng nồng độ Si có trong dung dịch, độ truyền qua của 2 mL dung dịch trên bề mặt giảm theo thứ tự: nồng độ Si 5 mg L-1> 10 mg L- 1> 20 mg L-1 (Hình 10, 11)
Đặc tính keo của gơtit góp phần thể hiện rõ phản ứng của bề mặt gơtit. Ở các pH < 4, bề mặt gơtit mang điện dương dẫn tới phản ứng tán keo. Khi pH > 8,4 (EB 0,01 molc L-1) và pH > 7,0 (EB 0,05 molc L-1) thì lưới điện tích biến thiên bề mặt chuyển sang âm toàn phần. Điều này giải thích cho hiện tượng gơtit tán keo hoàn toàn ở các pH cao. Bổ sung Si vào trong dung dịch góp phần trung hòa các điện tích dương trên bề mặt gơtit và tăng tính âm điện của lưới điện tích bề mặt do đó thúc đẩy tán keo ở những pH cao.
Nồng độ ban đầu của Si trong dung
27
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Nghiên cứu cho thấy những tác động rõ rệt của axit silicic tới khả năng phân tán và điện tích bề mặt của gơtit. Sự hấp phụ Si lên bề mặt gơtit tăng dần theo pH và đạt giá trị lớn nhất tại pH 9 và do đó đã làm thay đổi lưới điện tích bề mặt, làm tăng sự âm điện của khoáng vật này. Sự âm điện hơn của bề mặt gơtit làm dịch chuyển PZC về phía pH thấp hơn, mức độ dịch chuyển tăng dần theo nồng độ của axit silicic bổ sung đầu vào.
Thí nghiệm trên ống nghiệm về đặc tính keo của gơtit cũng làm rõ khả năng phân tán của gơtit trong môi trường chứa silicic axit với nồng độ nằm trong khoảng biến thiên của silic trong dung dịch đất (0 - 40 mg L-1). Ở nền điện ly 0,01 molc L-1, gơtit thể hiện phản ứng tán keo ở các pH rất thấp (< 3) và rất cao (> 11), khoảng tụ keo nằm trong các pH giữa (3 - 11). Khi có sự xuất hiện của axit silicic, khoảng tụ keo của gơtit thu hẹp lại, chứng tỏ vai trò thúc đẩy tán keo của axit silicic.
Nền điện ly 0,05 molc L-1 cho thấy sự ảnh hưởng rõ hơn của nồng độ silicic tới mức độ tán keo. Nồng độ axit silicic càng cao, khoảng tụ keo của gơtit càng hẹp. Ở pH thấp (hoặc rất cao), bề mặt gơ-tít mang điện dương (hoặc âm) toàn bộ, các hạt keo tương tác với nhau bằng lực đẩy dẫn đến phản ứng tán keo trong dung dịch. Ở các khoảng pH giữa, nhờ axit silicic trung hòa bớt các điện tích dương nên bề mặt của các hạt bớt âm điện, lực đẩy tĩnh điện yếu dần và chúng có xu hướng tiến lại gần nhau, liên kết tạo thành những hạt lớn hơn và do đó keo tụ xuống phía dưới.
Kết quả này gợi mở ra một hướng nghiên cứu mới về ảnh hưởng của axit silicic tới đặc tính keo của các thành phần khoáng vật trong đất (đặc biệt là các loại đất giàu sắt). Cần có thêm những nghiên cứu sâu hơn đối với khoáng vật sắt trong môi trường thực tế nhằm cung cấp thêm cơ sở khoa học về sự ảnh hưởng của axit silicic trong quá trình mất đất và mất sét ở vùng đồi núi Việt Nam.
28
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Nguyễn Ngọc Minh, Đào Châu Thu (2012), Khoáng sét trong đất và ứng dụng trong lĩnh vực môi trường, NXB Giáo dục.
2. Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Phước Cẩm Liên, Nguyễn Xuân Hưng, Hoàng Thị Thanh Hiếu (2010), “Ảnh hưởng pH, các cation và axit humic đến khả năng phân tán của sắt bentonit Cổ Định – Thanh Hóa”, Tạp chí Khoa học Đất, 34, tr.26-31.
Tiếng Anh
3. Adamo P. C., Colombo C. and Violante P. (2007), “Iron oxides and hydroxides in the weathering interface between Stereocaulon vesuvianum and volcanic rock”, Clay Miner.
4. Alekseev A., Alekseeva T., Ostroumov V., Siegert C. and Gradusov B. (2005), Mineral transformations in permafrost affected soils, North Kolyma lowland, Russia, Soil Sci. Sco. Am. J., 67, pp.596- 605.
5. Allen B. L. and Hajek B. F. (1989), Mineral occurrence in soil environments, in: Minerals in soil environments, Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, pp. 199-279.
6. Antelo J., Arce F., Avena M., Fiol S., Lopez R. và Macias F. (2007), “Adsorption of a soil humic acid at the surface of goethite and its competitive interaction with phosphat”, Geoderma, 138, pp.12-19. 7. Barman A. K., Varadachari C. and Ghosh K. (1992), “Weathering of silicate minerals by organic acids. I. Nature of cation solubilisation”, Geoderma, 53, pp. 45-63.
8. Beckwith R. S. and Reeve R. (1963), “Studies on soluble silica from soils. I. The sorption of silicic by soils and minerals”, Aust. J. Soil., 1, pp.157-168.
9. Bennet P. C., Siegel D. I., Hill B. M. and Glaser P. H. (1991), “Fate of silicate minerals in a peat bog”, Geology, 19, pp.328-331.
29
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
10. Bigham J. M., Fitzpatrick R. W. and Schulze D. G. (2002), Iron oxides, In Dixon J. B. và Schulze D. G. (eds.) Soil mineralogy with environmental applications, SSSA. Madison, WI, pp.323-366. 11. Bӧckenhoff K. and Fischer V. R. (2001), “Determination of
electrokinetic charge with a particle-charge detector, and its relationship to the total charge”, Fresenius Journal Analytical Chemistry, 371, pp.670-674.ӧ
12. Childs C. W. (1992), Ferrihydrite: “A review of structure, properties and occurrence in relation to soils”, Z. Pflanzenernӓhr, 155, pp.41- 448.
13. Churchman G. J. (2000), The alteration and formation of soil minerals by weathering. In M.E. Sumner (ed.), Handbook of soil science, CRC Press, Boca Raton, FL, , pp. F3-F76.
14. Clausen L. và Fabricius I. (2001), “Atrazine, isoproturon, mecoprop, 2,4D, and bentazone adsorption onto iron oxides”, Journal of Environmental Quality, 30, pp.858-869.
15. Cornell R. M. và Schwertmann U. (1996), The iron oxides, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Germany.
16. Cornell R. M. và Schwertmann U. (2003), The iron oxides, 2nd edn., Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Germany.
17. Cornerlis J. T., Delvaux B., Georg R.B., Lucas Y., Ranger J. and Opfergelt S. (2011), “Tracing the origin of dissovled silicon transferred from various soil-plant systems towards river: a review”, Biogeosciences, 8, pp.89-112.
18. Dietzel M. (2000), “Dissolution of silicates and stability of polysilicic acid”, Geochem. Cosmochim. Ac., 64, pp.3275-3281.
19. Dietzel M. (2002), Interaction of polysilicic and monomeric silicicic acid with mineral surfaces, in: Water-Rock Interaction, Kluwer Academic Publishers, pp.207-235.
20. Dove P. M. (1995), Chemical weathering rate of silicate minerals, Mineralogy Society of America and the Geochemical Society, Rey.Mineral.Geochem., 31, pp.235-290.
30
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
21. Dove P. M., Han N., Wallace A. F. and De Yoreo J. J. (2008), “Kinetics of amorphous silica dissolution and the paradox of the silica polymorphs”, P. Natl. Acad. Sci. USA., 105, pp. 9903-9908. 22. Drees L.R., Wilding L.P., Smeck N.E., and Senkayi A.L (1989),
Minerals in soil environments, Soil Science Society of America, Madison, pp.914-974.
23. Etame J., Gerard M., Suh C. E. and Bilong B. (2009), “Halloysite neoformation during the weathering of nephelinitic rocks under humid tropical conditions at Mt Etinde, Cameroon”, Geoderma, 154, pp. 59-68.
24. Exley C. (1998), “Silicon in life: a bioinorganic solution to bioorganic essentiality”, J. Inorg. Biochem., 69, pp. 139-144.
25. Faure G. (1991), Principles and application of inorganic Geochemistry, New York, MacMillan.
26. Filius J. D., Lumsdon D. G., Meeussen J. C. L., Hiemstra T. and Van Riemsdijk W. H. (2000), “Adsorption of fulvic acid on goethite”,
Geochemica et Cosmochimica Acta, 64, pp.51-60.
27. Fraysse F., Pokrovsky O. S., Schott J. and Meunier J. D. (2006), “Surface properties, solubility and dissolution kinetics of bamboo phytoliths”, Geochem. Cosmochim. Ac., 70, pp.1939-1951.
28. Fraysse F., Pokrovsky O. S. and Meunier J. D. (2010), “Experimental study of terrestrial plant litter interaction with aqueous solutions”,
Geochem. Cosmochim. Ac., 74, pp. 74-80.
29. Frenkel H., Fey M. V., Levy G. J. (1992). Critical flocculation concentration of reference and soil clays in the absence or presence of organic and inorganic anions. Clays and Clay Minerals, 5, 515 – 521.
30. Fritsch E. G., Morin G., Bedidi A., Bonnin D., Balan E., Caquineau S. and Calas G. (2005), “Transformation of hematite andAl-poor goethite and associated yelowing in a ferralitic clay soil profile of the middle Amazon Basin (Manaus, Brazil)”, Eur.J.Soil Sci., 56, pp. 575-588.
31
Đàm Thị Ngọc Thân Khoa Môi trường
31. Hiemstra T., Mark O. B. and Willem H. V. R.(2007), “Interaction of silicic acid with goethite”, Journal of Colloid and Interface Science, 310, pp.8-17.
32. Iler R. K. (1979), The Chemical of Silica, Wiley-Interscience, New York.
33. Illés and Tombácz (2006), “The effect of humid adsorption on pH- dependent surface charging and aggregation of magnetite nano particles”, E. Journal of Colloid And Interface Science, 295, pp.115-123.
34. Jones L. H. P., Handreck K. A. (1967), “Silica in soils, plants, and animals”, Advances in Agronomy, 19, pp.107–149.
35. Karathanasis A. D. (2002), Mineral equilibria in environment soil systems, in: Soil Mineralogy with environmental applications, Soil Science Society of Ameriaca, Madison, USA, pp.109-151.
36. Kosmulski M. (2003), “A little survey of differences between the reported isoelectric point and their discussion”, Colloidal and Surfaces A, 222, pp.113-118.