土體有機重構材料的掃描電鏡研究進展

摘 要：本文對土體有機重構概念以及幾種土壤添加材料目前的掃描電鏡研究成果做了介紹，對幾種材料在今后研究過程中采用掃描電鏡進行微觀結構研究做了展望。

關鍵詞：土體有機重構；材料；掃描電鏡

中圖分類號：S121 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180133208

引言

土體是指由一種以上土層構成的組合體，其廣泛分布于地球表層，作為一個整體發揮作用，是一個十分復雜的自然體[1]。土地自然利用過程比較緩慢，土壤形成可能需要幾千年、幾萬年，而土體有機重構就是在尊重自然規律的基礎上，通過工程手段加快這一進程，以無機過程帶動有機過程、以有機過程促進無機過程，構建良好的土體結構。土體有機重構的服務對象是有機生命體，通過對一定深度土體進行研究，以置換、復配和增減等技術手段，為承載生命體提供必要的條件。土體有機重構與其它構筑物的基礎研究有著本質區別，它具有一定的生命特征，并能維護生命體繁衍發育的過程。

掃描電鏡應用于土壤學領域，在土壤微形態、黃土濕陷結構和礦物風化超微特征等方面得到應用，可得到土壤微結構及元素組成和及分布特征，豐富了土壤學的研究內容。本文介紹采用掃描電鏡對土體有機重構材料的結構和性質進行研究的已有成果，并做展望。

1 土體有機重構材料的掃描電鏡研究

1.1 生物炭的掃描電鏡研究

缺氧條件下對生物質進行高溫處理，將生物質中的油和氣燃燒掉，剩下的就是生物炭。Abdel-Fattah等[2]對松木制成的生物炭進行掃描電鏡觀測，顯示了生物炭樣品的多孔結構，溝道狀結構使生物炭的表面積激增，大的表面積賦予生物炭強吸附能力，生物炭吸附于土壤顆粒表面、可用于去除重金屬污染。Fellet等[3]研究了由不同植物原料制備的3種類型的生物炭，掃描電鏡和能譜儀聯用顯示3種生物炭結構在孔隙度、粒團、元素組成方面有所差異。將生物炭按3種劑量（質量分數分別為0，1.5，和3%）施用到尾礦土體，對土壤pH、電導率、陽離子交換量以及重金屬的生物利用度都有不同程度的影響。生物炭能減少Cd和Pb的積累，它在植物修復方面具有應用潛力，其修復效果依賴于制備生物炭的植物原料類型，修復土體的特性也決定了選用何種生物炭。

1.2 石墨烯的掃描電鏡研究

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由1層碳原子組成的二維晶體，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。Naseri等[4]研究了石墨烯氧化物納米片對膠結土的土力學性質的影響，研究結果顯示，石墨烯氧化物的添加使得土壤的塑性和壓縮系數減小，土壤的拉伸和剪切強度隨添加的石墨烯氧化物濃度的增加而增強，無側限抗壓強度也隨石墨烯氧化物含量的增多而增強。石墨烯氧化物作為穩定劑對穩定土壤的機械性能有很大的影響。掃描電鏡和X射線衍射分析儀（XRD）被用來表征石墨烯氧化物和土壤樣品的結構。圖2a示出了膜厚度為20～30 nm的合成石墨烯氧化物納米片的掃描電鏡圖像，石墨烯氧化物納米片的尺寸測量值大約在0.2～3mm之間。合成的石墨烯氧化物納米片的XRD圖如圖2b所示，12.348°處強烈而尖銳的峰值是由于石墨官能團氧化引起的[5]。土壤/水泥和土壤/水泥/0.05%石墨烯氧化物的掃描電鏡圖像如圖2c和d所示，將石墨烯氧化物納米片添加到土壤/水泥復合材料中可以有效地迫使裂縫在納米片周圍扭曲并填充顆粒之間的一些孔隙，導致具有較小孔隙的顆粒集群形成更致密的土體。Pan等[6]報道了含石墨烯氧化物的水泥具有類似的趨勢。

1.3 保水劑的掃描電鏡研究

保水劑使用的是高吸水性樹脂，它是一種吸水能力特別強的功能高分子材料，它無毒無害，反復釋水、吸水，因此農業上人們把它比作“微型水庫”。它還能吸收肥料、農藥并緩慢釋放，增加肥效、藥效。王立娟等[7]利用微波輔助合成了亞麻屑纖維素基土壤保水劑，用掃描電鏡觀察發現合成的保水劑表面多孔，充分吸水后有很強的成膜性。該保水劑在pH為7時，吸水倍率達到最大值991g/g，合成的保水劑經6次吸水—烘干循環后，失去再吸水能力，具有良好的保水性。苗宗成等[8]獲得了1種基于黃原膠—蒙脫土的新型復合保水劑材料，實驗表明在50℃條件下，單獨使用該復合材料8h后保水率為53.7%，而與沙土混合后的保水率為65.2%，說明該保水劑具有顯著抑制水分揮發的能力，且在沙土中恒溫條件下的保水能力進一步增強。使用掃描電鏡對改復合保水材料表面進行了觀察，如圖3所示，黃原膠/蒙脫土復合保水劑的孔度最大，網狀結構明顯，具有巨大的表面積，有利于對水分子的吸附。通過掃描電鏡可直觀看到保水劑微觀結構，探究結構對其性質的影響作用。

1.4 脫硫石膏的掃描電鏡研究

脫硫石膏又稱排煙脫硫石膏，主要成分和天然石膏一樣，為二水硫酸鈣CaSO4·2H2O，含量≥93%。脫硫石膏的顆粒大小較為平均，其分布帶很窄，高細度（200目以上），顆粒主要集中在30～60μm之間。通過鹽分離子間的置換作用，將吸附在土壤顆粒表面上的Na+離子利用脫硫石膏中富含的Ca2+離子進行置換，可進行鹽堿地改良。Camarini等[9]用掃描電鏡觀察了商用石膏commercial gypsum plaster （CGP）和由建筑垃圾制成的回收石膏Recycle Gypsum Plaster（RGP），其晶體結構呈棱柱狀，如圖4所示。回收石膏和商用石膏具有類似的構型，回收石膏的晶型相對拉長了一些。脫硫石膏可應用于鹽堿地治理方面，Mao等[10]研究了0，15，30，45和60Mg/ha的脫硫石膏施用對鹽堿土性質的影響，研究結果顯示施用60 Mg/ha的脫硫石膏對0～10cm土壤的效果最顯著，6個月后，交換性鈉離子的百分比降到6%以下，pH降到7，可溶性鹽離子的種類基本從Na+、HCO3+、CO3+、Cl-離子轉換成了Ca2+和SO42-離子，非鹽生植物的存活率達到90%。脫硫石膏進行鹽堿地治理，效果良好，而目前尚未見有關脫硫石膏改良鹽堿地的微觀結構研究，探求結構改良對性質提升的影響作用，如若能彌補該研究的空白，將有利于脫硫石膏作用的發揮以及鹽堿地整治工作的進一步發展。

1.5 聚丙烯酰胺（PAM）的掃描電鏡研究

聚丙烯酰胺分子式為（C3H5NO）n，是一種線狀的有機高分子聚合物，也是一種高分子水處理絮凝劑產品，專門可以吸附水中的懸浮顆粒，在顆粒之間起鏈接架橋作用，使細顆粒形成比較大的絮團。馮玉軍等[11]用掃描電鏡和環境掃描電鏡觀察了聚丙烯酰胺溶液的表面形貌，發現聚丙烯酰胺在溶液中確實形成了一種空間網絡狀結構，具有橋接作用。Maghchiche等[12]觀察了酸性土壤、半酸性土壤、纖維素、聚丙烯酰胺+纖維素改良后的酸性土壤以及聚丙烯酰胺+纖維素改良后的半酸性土壤的微觀形貌，能看到聚丙烯酰胺+纖維素將土壤離子聚合起來，有助于減少土壤水分蒸發和滲漏，提高保水性。有關聚丙烯酰胺改良鹽堿土等的微觀結構研究還很少，是今后努力的方向。

2 小結與展望

土體有機重構是以實現土壤有多樣性生命體存活的土壤為目標進行有機的重構，可采用在土體中添加材料的措施進行，添加的材料大多從結構上對土體進行改造，進而影響土壤性質。本文主要介紹了土體有機重構材料的微觀結構及添加材料與土壤相互作用后的微觀結構研究成果，對這些土壤添加材料今后的研究方向做了展望。

參考文獻

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作者簡介：郭航（1989-），女，陜西咸陽人，博士，工程師，主要從事土地工程及相關研究。