摘要
纳米材料由于其自身小尺寸和大的比表面积，在环境介质中表现出很强的稳定性和传输性，可原位固定土壤和地下水中的污染物，在土壤修复方面应用广泛。土壤微团聚体会影响纳米材料在环境中的稳定性和移动性，从而影响其对污染物的去除效果。然而，目前关于纳米材料在土壤微团聚体中的悬浮稳定性的系统性研究较少，尤其甚少关注分散剂存在下合成的功能性纳米材料在多孔介质中的长期稳定性。本研究以纳米水铁矿（HFO）和纳米磁铁矿（MNPs）为研究对象，初步考察了两种纳米材料在不同土壤微团聚体中的稳定性，运用动力学模型和DLVO理论探讨了纳米HFO和纳米MNPs在不同土壤微团聚体中的悬浮机理，为评价纳米材料在土壤中的迁移行为及合理利用提供依据。研究结果发现： 在土壤中，纳米HFO的沉降性能显著增加。纳米HFO在黑土和黄土各粒级微团聚体中稳定性的大小基本一致，其顺序为：50~250μm＞5~50μm＞2~5μm＞0.25~2mm＞（＜2μm）；纳米HFO在土壤大颗粒团聚体中（0.25~2mm）沉降性能较好，稳定性差，极易被吸附在土壤大颗粒表面，被土壤表面的粗糙结构捕获；对于有机质（SOM）、游离氧化铁（Fed）和阳离子交换量（CEC）等含量相对较高的土壤黏粒（＜2μm），纳米HFO沉降明显，与未稳定HFO并未表现出明显的差距，稳定性较差；而在5~50μm和50~250μm粒级的土壤团聚体中，CMC稳定的纳米HFO的悬浮稳定性较好，显著高于未稳定HFO；土壤去除SOM和Fed后，纳米HFO在其中的稳定性都强于原土，稳定性增强。 纳米HFO的Zeta电位为-38.9mV，稳定性良好，但进入土壤后，随着电解质浓度的增加，Zeta电位绝对值都有不同程度的降低，纳米HFO的负电性减小，颗粒间的静电斥力减弱，进而影响纳米材料的团聚行为。其中黑土中＜2μm粒级悬浮液的Zeta电位变化最大，带负电性最弱，其值为-5.29mV，稳定性最差。在5~50μm和50~250μm悬浮液中的带负电性较强，分别为-20.2mV和-21.6mV；黄土中0.25~2mm粒级悬浮液的Zeta电位为-14.2mV，负电性最弱，5~50μm和50~250μm粒级悬浮液的带负电性最强，分别为-17.2mV和-19.8mV。 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）能量计算结果显示，以CMC为稳定剂合成的纳米HFO之间的能垒为1.1×103KT，第二极小值为正值，不易发生自团聚；在两种供试土壤的不同粒级范围内，随着粒级的不断减小，纳米HFO-土壤微团聚体之间的能垒也有不断下降的趋势；在粗砂粒（0.25~2mm）和黏粒（＜2μm）中，纳米HFO和土壤微团聚体之间的能垒在1.3×102~2.9×102kT之间，且他们的第二极小值出现了显著的负值。因此，纳米HFO十分容易在其表面发生异质性团聚或沉积。 与纳米HFO比较，淀粉稳定的纳米MNPs的悬浮稳定性较差，其粒径小于30nm，Zeta电位值为-28.7mV。纳米MNPs在黑土5~50μm和50~250μm粒级微团聚体中的负电性相较其他粒级而言最强，分别为-16.3mV和-18.4mV，而在其余粒级混合液中的Zeta电位值都大于-15mV；纳米MNPs在黄土各粒级悬浮液的Zeta电位带负电性均小于黑土，多数集中在-10mV以上，且以0.25~2mm和＜2μm粒级悬浮液中所带负电荷最弱。纳米MNPs的稳定性在两种土壤各粒级中大小顺序为：50~250μm＞5~50μm＞2~5μm＞（＜2μm）＞0.25~2mm。去除SOM和Fed后，淀粉稳定纳米MNPs在其中的稳定性都强于原土。通过对其进行DLVO计算，纳米MNPs之间的能垒为8.07×102KT，其第二极小值为正值，颗粒碰撞时，由于能垒作用的存在，很难发生团聚。在两种供试土壤的不同粒级范围内，纳米MNPs与粗砂粒（0.25~2mm）和黏粒（＜2μm）之间的能垒最低，范围在0.75×102~1.75×102kT之间，且他们的第二极小值出现了及显著的负值。
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