土壤腐殖酸及其亚组分表面活性研究

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腐殖质(humic substances,HS)是由动植物残体经过复杂的物理、化学和生物降解过程形成的化学性质复杂的有机混合物,其广泛存在于大气、土壤、水体和沉积物等环境介质中。腐殖酸(humic acid,HA)是构成HS的重要组分之一,结构主要由疏水部分(主要为烃链)和亲水部分(主要由离子基团如羧酸和非离子极性部分如酚、醇、醛、酮、酰胺、胺等)组成,是环境中污染物的主要络合剂或吸附剂。在高浓度下形成类胶束状结构并降低水溶液的表面张力,增加疏水性有机污染物的溶解度,是一种天然的表面活性剂。本文从森林土壤中提取分离的HA及其亚组分为研究对象,通过表面张力的测定,确定临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC),研究HA及其亚组分表面活性的相似性和差异性,利用动态光散射(dynamic light scattering,DLS)和激光多普勒电泳(laser doppler electrophoresis,LDE)技术研究类胶束结构下HA亚组分团聚体的粒径和分布特点。主要研究内容如下:1、研究HA及其亚组分与水溶液表面张力的下降值、下降效率和CMC相似性和差异性。以北京市鹫峰森林公园提取分离的HA及其亚组分(标记为HA、HA1、HA2、HA3、HA4、HA5和HA6)为研究对象,通过指数模型拟合表面张力数据,HA及其亚组分表面张力随浓度变化曲线符合指数函数模型。结果表明:HA亚组分表面张力下降最大值范围在(22.8~35.6 m N/m),表面张力下降最大值HA6>HA3>HA2>HA5>HA4>HA1,下降效率HA6>HA5>HA3>HA4>HA2>HA1。根据线性方程确定HA亚组分CMC值,范围在216~1024 mg/L,平均值723±292 mg/L,大小依次为,HA1≈HA2>HA3>HA4>HA5>HA6,说明不同HA亚组分对水溶液表面张力的影响具有一定的差异性。结合已有文献数据,拟合有关CMC多元线性回归方程:CMC=18896-6.9×C-296×alkyl-C-331×aromatic-C-17019×H/C+4054×HB/HI(R2=0.909,P<0.05,n=16),误差在-199~236 mg/L,通过对比,该方程预测CMC的结果优于已报道的预测模型。2、根据对HA及其亚组分类胶束结构下的表征结果,在相同浓度下,Zeta电位值与结构内羧基含量有关(R2=0.582,P<0.20,n=7)。HA及其亚组分溶液经过0.45μm滤膜过滤后,粒径范围介于111~187 nm,但HA及其亚组分会经非生物自组装,形成数量极少的超微米团聚体(>1000 nm)。HA及其亚组分粒径分布(particle size distributions,PSDs)显示,在0-100 nm的亚微米区间的团聚体占总体的97.6%以上,利用高斯模型(Gaussian model)对HA亚组分数量PSDs光谱进行分峰,拟合效果良好,各峰中心范围依次为0.96~5.57 nm、1.86~10.60 nm、3.75~45.94 nm和8.96~55.46nm。HA亚组分中HA1、HA3、HA4和HA6团聚体粒径尺寸基本上均在20 nm以内,是通过氢键和疏水力作用形成的团聚体,而HA2和HA5的主要团聚体分布区域大于20 nm,推测该团聚体可能是由小粒径的团聚体再次缔合而成。
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