soil 4- tich dien va hap phu

8/3/2019 Soil 4- Tich Dien Va Hap Phu

http://slidepdf.com/reader/full/soil-4-tich-dien-va-hap-phu 1/19

Thanh NK 1

Chương 4

tích ñin và hp th

Nguyn Kim Thanh

2011

TÍNH H P PH (sorbsion) CA

ĐT• Tích ñin b mt;

• Cation trao ñi và kh năng trao ñication;

• Lp khuch tán;

• Hp ph chn lc;

tích ñ in b mt

1. S tích ñin b mt v ĩ nh cu do khóang2:1 và khóang 2:2

2. S tích ñin ph thuc pH- Sét 1:1- Carboxyl và phenolic, hydroxy3. Tích ñin âm và tích ñin dương do oxyt

Fe và Al

Tóm tt chung - Các micelle

Silicate tinh th - Crystalline Silicates

1:1, 2:1 (expanding and non-expanding), 2:1:1

Silicate không tinh th - Non-Crystalline Silicates

Allophane and Immogolite (sn phm ca tro núi la)

Các ôxit: Fe and Al Oxides /Hydroxides/ Oxyhydroxides

Geothite, Gibbsite, Hematite, Ferryhydrite, Maghemite

Mùn h u cơ - Organic Matter (humus)

High and Low Molecular Weight Acids (Fulvic, Fluvic, Hemic)



Thanh NK 2

nguyên lý tích ñin

S thay th Si bi Al và thay th Al bi Mg

- - - - - - - - -

O6

- - - - - - - - -

O6

- - - - K+ - - -

O6

Si4 Si4 Si3Al Tetrahedral

O4(OH)2 O4(OH)2 O4(OH)2

Al4 Al4 (Al,Mg,Fe)4 Octohedral

(OH)6 O4(OH)2 O4(OH)2

Si4 (SI3Al) Tetrahedral

- - - - - - - - -- O6- - - - - - - - - O6

- - - - K+ - - -

kaolinite Pyrophylite Thay th 2:1

Ví d thay th ñng ñng (IsomorphicSubstitution)

1:1 phyllosilicates: kaolinite

•1 lp Si: tetrahedral•1 lp Al: octahedral

•Các khoáng liên ktvi nhau bng liên

kt Hydro (H bonds)

SILICA TETRAHEDRON STRUCTURE

siO4



Thanh NK 3

2:1 Phyllosilicates: di and trioctahedral

Dioctahedral (smectites)• Thay th 3+ bi 2+

trong lp octahedral(ñng ñng)

• To 1 lưng tích ñ inròng

• To ra nhiu lp mrng

Trioctahedral (vermiculite)

• Thay th 4+ bi 3+

trong lp tetrahedral• Cũng to CEC, nhưng

không m rng lp

• Phyllosilicates: continuous sheet of Tetrahedral, eachsharing 3 oxygen (also called sheet structures)

1:1 Layer SilicatesKandite Group: kaolinite, dickite,nacriteSerpentine Group: lizardite

2:1 Layer SilicatesPyrophyllite/Talc Group: pyrophylliteSmectite Group: soil_smectite

Vermiculite Group: vermiculiteMica Group: muscovite, biotite,lepidolite, margarite

2:2 or 2:1:1 Layer Silicates: chloriteInterlayered Phyllosilicates

Cu trúc khoáng sét of 2:1 Clays

• Tetrahedral sheet

• Octahedral sheet

• Tetrahedral sheet

VD cu trúc ñơn gin nht ca tetrahedron

• Tetrahedron – 1 ion silicon bao

quanh bi 4 nguyênt oxy.

• Tetrahedral sheets –Các lp tetrahedral(tetrahedral sheets)ñưc gn vi nhau bichia nhau các nguyênt ôxy


http://slidepdf.com/reader/full/soil-4-tich-dien-va-hap-phu 4/19Thanh NK 4

Tám cnh ca Octahedron

• Octahedron – 6 oxygen vi nguyên

t Al3+ trung tâm

• Octahedral sheet – Các lp Octahedral

(sheets) cũng gn vi

nhau bi chia nhau cácnguyên t oxygen

VD 2 lp octahedralOctahedral Sheet

Phyllosilicates (Clays)

A. 1: 1 Khoáng silicate to lp: mt lpTetrahedral Si và mt lp Octahedral AlVD: Kaolinite, Halloysite không có cationnm gia các lp. Các lp ch yu liênkt vi nhau bi liên kt Hydro (H-bond)

B. 2:1 Khoáng silicate to lp 2:1: mt lpOctohedral nm chính gia chia s Oxyvi 2 lp Tetrahedral VD:Montmorillonite, Illite, Vermiculite etc

Phân loi sét 2:1 Clay da trên:1. Kiu và lưng thay th ñng ñng trên lp tetrahedral vàoctahedral

2. Đ ln tích ñin mi phân t (layer Charge)

3. Loi cation nm gia các lp



Example of a 2:1 layered silicate

muscovite

C. 2:1:1 các lp silicate ging như 2:1nhưng thêm 1 lp Al ví d Chlorite

Properties of Layer Silicates

• KAOLINS:• A 1:1 Phyllosilicate typified by Kaolinite

Composition: 39.8% alumina, 46.3% silica, and 13.9% water

Unit Cell Formula:

[Al2Si2O5(OH)4],-Si4+ in tet sheet, Al3+ , Mg2+ in oct sheetEffective Diameter: 0.2-2.0µm

Found in Highly weathered soils in coarse clay fraction & sedimentsOther members of Group: Halloysite, Dickite, Antigoritec-spacing = 1.0nm

Properties:* H-bonding b/w sheet prevents expansion beyond its basal spacing of 0.72nm

Structure of kaolinite (1:1)



Kaolin (Contd)

* Surface Area: 10 to 20 x 103 m2kg-1

* Al/Si ration =1 indicating absence of IsoSubstitution* Low colloidal activity* low plasticity* low cohesion

Cation Exchange Capacity (CEC)= 10-

100mmol(+)kg-1-CEC= due to dissociation of OH-

CEC due mostly to pH-dependent Charge

SMECTITES (Montmorillonite)

• They are 2:1 layer clays – Examples are Montmorillonite, Beidellite

• Half Unit Cell formula: Nax(Al2-XMgx)Si2O10(OH)2• Layer Charge: 0.25-0.6/formula unit

– Low layer charge responsible for high degree ofexpansion

C-spacing= varies with exch. Cation & interlayersolvation

C-spacing: Dry .95-1nm; wet >10nm

Smectites vary depending on predominant octahedralcations

Structure of Montmorillonite (2:1) SMECTITES (Montmorillonite)

• Properties:CEC= 800 -1200 mmol(+)kg-1Surface Area: 600 to 800 x 103 m2kg-1

Common in temperate soils e.g Vertisols in the fine clay(.01-1µm) fractionExhibit imperfect isomorphic substitution

• b/c Al3+ sub for Si4+ in tet & Fe2+ sub for Al3+ in Oct.• High Shrink-Swell potential• High Plasticity• High Cohesion



Structure of Chlorite (2:1:1) MICA

• A 2:1 Clay inherited from parent material• Found as components of partially transformed

expansible 2:1 minerals• They are precursor for Vermiculite

Half Unit formula: K(Al2(Si3Al)O10(OH)2)

Micaceous soils are rich in K as it is realeased as mineralweathers

CEC: 200CEC: 200--400 mmol(+)kg400 mmol(+)kg--11

Surface Area: 70 to 120 xSurface Area: 70 to 120 x 101033 mm22kgkg--11

Tóm tt cu trúc ca sétCation cân bng ñin tích (Mol/kg là cmol/kg)

khoáng Dt (m2/kg) CEC(mol/kg)

Tích ñinb mt

(µmol/m2)

Đin âmchính

Kaolinite (1-2)x104 0.02-0.06

Ph thucpH

Illite 1x105 0.3 Không PT

Smectite 8x105 1.0 Không PT

Vermiculite 8x105 1.4 Không PT

Oxyt Fe và Al 3x104 0.005 Ph thuc

Allophane (5-7)x105 0.8 Ph thuc

Humic acid 9x105 3.0 Ph thuc



CATION TRAO ĐI VÀ KH NĂNG TRAO ĐI CATION

• Cách 1 ño CEC là buffer pH 7 và choCH3COONH4 chy qua, sau ñó ño lươngamon dư

• Cách 2: ño trc tip không buffer bi KCl,thay tòan bt các cation trong ñt, chun

ñ phn còn li và cho bit ñưc ECEC

S phân b

A

B

Cation

Anion

C

C, nng ñ trong dd

Khang cách t b mt lp sét

sét sétcation

anion

Lp phân tán

Đc tính ca trao ñi cation

- Ví d khi cho chy sulfat amon vào trong ct ñtthì dòng chy ra là Ca2SO4

- Qui lut trao ñi hp ph

Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<H+<Al3+ < Fe3+

- Bán kính ion càng ln thì hp ph càng bé…- Bán kính thy hóa (trong dd)- Nng ñ cation:- Điu kin môi trưng (pH)?



Ví d

1. Trong ñt ti có 10% là khóang illite, 3 %là mùn (humus).

- Căn c theo bng trên hãy tính CEC khipH 7, là CEC khi pH:4?

2. Trong ñt có 10% là sét Kaolinite, 3 % làmùn (humus).

- Căn c theo bng trên hãy tính CEC khipH 7, là CEC khi pH:4?

Lý thuyt Keo ñt

• <10-6: phân tán phân t• 10-6---10-4: dung dch keo hay h phân tán

keo• >10-4: phân tán thô, trong nưc gi là dd

huyn phù

Cu to keo ñt

1. Nhân mixen2. Lp ion to ñin

th3. Lp ion bù4. Lp ion khuch

tán

Nhânmixen

3 lai keo theo ngun gc:

Keo vô cơ: silicate, oxyt st và nhôm

Keo hu cơ: carbonxyl, phenolicKeo phc vô cơ – hu cơ

3 lai keo theo ñin tích:

1. Âm: v ĩ nh vin, ph thuc pH2. Dương: trong ñiu kin pH thp R2O3 ngm

nưc3. Keo lưng tính:

Acid: Fe(OH)3 + H+ Fe(OH)2+ + H2O

Base: Fe(OH)3 + OH- Fe(OH)2O- + H2O



Ví d tính ñươ ng lư ng (equivalent

weight) ñi v

i Vôi CaCO3

CaCO3 (formula wt.) = 40 + 12 + 48 = 100

charges involved = 2

=> eqwt. = 50

=> meq = .05

Ví d tính of CEC v i % sét và % OM

Gi s CEC % trung bình of OM = 200meq/100gCEC % trung bình of Sét = 50 meq/100g

CEC = (% OM x 200) + (% Clay x 50)T d liu có: soil with 2% OM và 10% Sét

200 x .02 + 50 x .1 = 4 + 5 = 9 meq/100 g

D ñoán CEC

1) tng cations: loi tt c các cations và tínhtng lưng

2) bão hòa NH4+: ñt bão hòa vi NH4

+ -

NH4+

thay th bi Ca++

và ño lưng NH4+

b loi b.3) Ưc tính da vào texture:

Sand = 0-3 meq/100 g LS to SL = 3-10Loam = 10 - 15 Clay Loam = 10-30Clay = > 30 (depends on kind of clay)

• Khi CEC có giá tr cao(>25) chng t rngñt này có lưng Sétvà OM cao và có th gi ñưc rt nhiu

cations.

• Đt có CEC thp (<5)chng t rng ñt rtnhiu cát vi ít OM vànhư vy ko th gi nhiu cations.



Thanh NK 13

kh năng hp ph ca ñt

Tính hp ph ca ñt s cho 1 kh năng ñts gi li các cht, ion, VSV, th huynphù

1.Hp ph cơ hc: gi li trong các khe, l hng….

2.Hp th lý hc (hp ph phân t): gi licác ht rt nh, phân t… nhng thànhphn này thưng có năng lưng b mt.

Hp th vs hp ph

3. Hp th hóa hc:Na2SO4 + CaCl2 2NaCl + CaSO4

Al3+ + PO43- AlPO4

…xu hưng to thành các hp cht ít tan;

4. Hp ph lý – hóa: trao ñi nhng ion cùngdu trên b mt ht keo5. Hp ph sinh hc: gi li các cht dinh

dưng bi sinh vt sng trong ñt như cây xanh, VSV…

tn ti và vn chuyn ca các cht

1. Advection and Dispersion: ñi lưu &phântán;

2. Sorption and Retardation: hp th &

chm tr3. Chemical/Abiotic processes: quá trình

phi sinh vt

4. Volatilization: bay hơi

5. Biodegradation: các quá trình sinh hc



Thanh NK 14

Sorption and Retardation

• Sorption – hp th /ph• Hp th (adsorption) – quá trình b mt• Hp ph (absorption) – quá trình bên trong=> Dn ñn làm chm s di chuyn các

cht ô nhim• Phân ly - Desorption – quá trình ngưc li

ca hp ph

S hp th ca ht ñt - Soil Grain Sorption

Hp ph ñng nhit -Linear Sorption Isotherm

Sorption linearlyrelated to aqueousconcentration.

Partition coefficientis Kd

Kd is related to Kow

k d

1S

C 0

0

Mt s thông s tính toán

H s hp phKads = x/m/CfKads = kom* fh

Khi lưng cht hp ph: x = (Ci-Cf)H s phân b:

RD = kads * ρb / θH s chm tr RF = 1/(1+RD)Tc ñ di chuyn: Vi = Vw.RF



Thanh NK 15

H s chm tr (tt)

• Kd=Kow*0,5Liên quan ñnS,

- RD<100:mobile RF?

- RD>10.000:

immobile RF?

Partitioning to Solid Phase

• Octanol water partitioncoeff.• Distribution coeff.• Fraction in aqueous

phase

k ow =[ A]octanol

[ A]water

k d =[ A ]solid

[ A ]aqueous• VD: Tính Kd of benzene?for soil with 0.1% foc.

Vi Benzene Koc = 62 ml/g.

Các Phương Trình hi qui ñi vi hp th

Equation (a)No.(b)

r 2 (c)

Chemical ClassRepresented

Ref.

log k oc

= –0.55 log S + 3.64(S in mg/L)

106 0.71Wide variety, mostlypesticides

Kenaga etal., (1978)

log k oc

= –0.54 log S + 0.44(S in mole fraction)

10 0.94

Mostly aromatic orpolynucleararomatics; two

chlorinated

Karickhoffet al.,(1979)

log k oc

= –0.557 log S + 4.277(S in µ moles/L)

15 0.99Chlorinatedhydrocarbons

Chiou etal., (1979)

log k oc

= 0.544 log k ow

+ 1.377 45 0.74Wide variety, mostlypesticides

Kenaga etal, (1978)

log k oc

= 0.937 log k ow

– 0.006 19 0.95

Aromatics,polynucleararomatics, triazinesand dinitroanilineherbicides

Brown etal. (1981)

Compound/Family

FormulaSpecificGravity

Solubility(mg/L)

K ow

Vapor

Pressure(mm Hg)

Henry’s

Law(unitless)

Fuels and derivatives

Benzene C6H6 0.879 1750 130 60 0.22

Toluene C6H5CH3 0.866 535 130 22 0.26

Ethylbenzene C8H10 0.867 152 1400 7 0.32

Phenol C6H6O 1.071 93,000 29 0.2 1.89 × 10 –5

Ketones

Acetone CH3COCH3 0.791 inf 0.6 89 0.00104

Methyl ethyl ketone CH3COCH2CH3 0.805 2.68 × 105 1.8 77.5 0.00181

Halogenated aliphatics

Tetrachloroethene CCl2CCl2 1.631 150 390 14 1.21

Trichloroethene C2HCl3 1.466 1100 240 60 0.42

cis -1,2-Dichloroethene C2H2Cl2 1.27 3500 5 206 1.33

Vinyl chloride CH2CHCl 0.908 2670 24 266 3.58



Thanh NK 16

Retardation Factor

D x

∂2C

∂ x2 − v x

∂C

∂ x−

ρ b

n

dS

dt =

∂C

∂ t

R∂C

∂ t = D x

∂2C

∂ x2 − v x

∂C

∂ x

Retardation of Tracers

Các quá trình chuyn hóa phi sinh hc (AbioticFate Processes)

• Hydrolysis(thy phân)

• Oxidation-Reduction (oxyhóa - kh)

• Elimination –(loi b)

NO2 NH2

nitrobenzeneanaline

6e-

CH3CH2Cl CH3CH3 Cl-

+2e-

chloroethane ethane + chloride

Cl C C H

Cl

Cl

C C

Cl H

Cl HH

H

?

VD nhý trong x lý bng than hat tính

• PT Freundlich:

• X = khi lưng cht ô nhim b hp ph = (Ci – Cf) V

• Ci = nng ñ ban ñu ca cht ô nhim• Cf = nng ñ ti ñim cân bng ca cht ô nhimM = khi lưng thanPhương Trình Langmuir

n

cC k X / 1.=



Thanh NK 17

Ví d

• 2 lít herbicide 1mg/l chy qua ct ñt khôcó tng khi lưng là 10g. Trong ct ñtnày khi trng thái bão hòa nưc cócha 150g/1kg. Ρd (rhod)=1300kg/m3.

• Dòng ra có 30µg/l.

Hãy tính h s chm tr ca herbicide?

S bay hơi (Volatilization)• Truyn khi ca cht bn t pha lng, NAPL, or

hp ph trc tip ha khí;• Cn bng partitioning tương t như octanol-

water partitioning• S cân bng như là lut Henry’s• Hc là mi liên h gia áp sut riêng phn trong

phase khí và nng ñ cht ñó trongpha lng

• Ví d: 21% Oxygen (0.2 atm partial pressure) =>8,3 mg/L D.O.

H c =Pc

[C ]aq

Bài tpNgưi ly mu ñt có kích thưc là dài x rng x caolà 0,1m x 0.1m x 0,2 m. Mu ñt ly ñưc là mu ñtbão hòa nưc. Đem cân, khi lưng ban ñu là3,7kg. Sau khi sy khô trong phòng thí nghim, khilưng ñt còn li là 3,3kg.

Ngưi ta cho chy qua ct ñt mt dung dch thuctr sâu tương ng vi lưng thuc tr sâu ñã bóncho tha ñt trong 1 năm (3kg/ha.năm), vi lưngdung dch tng cng là 4 lít. Sau khi ñ t chy(tương t thí nghim tích m), ngưi ta thy nng ñ thuc tr sâu trong dung dch là 14µg/l.•Hãy tính a) h s phân b b) h s chm tr, c)nhn xét v tính di ñng ca thuc tr sâu.

làm vic nhà

1. Đc li ht chương 72. Đim ñng ñin là gì? Đ cp ñn lai

keo nào?

3. Qui lut hp th anion?



Thanh NK 18

Chemical bonding

Chemical bonding=basis of atomic structuralarrangement in a crystal

• Ionic:• Covalent:• Hydrogen• Van der waals• Combination of the above (in soil

minerals)

IONIC BONDING• Ionic: where one or more atoms lose electrons and other atoms gain

them in order to produce a noble gas electron configuration.

COVALENT BONDING

• Covalent: Sharing of pair of valence electrons by twoatoms



Thanh NK 19

HYDROGEN BONDING

• H-Bonding: Not really a "bond" since it is a forceof attraction between a hydrogen atom in onemolecule and a small atom of highelectronegativity in another molecule. – it is an intermolecular force, not an intramolecular

force as in the common use of the word bond.• When hydrogen atoms are joined in a polar

covalent bond e.g. O, F or N, the partial +vecharge on the H is highly concentrated becauseof its small size. If the H is close to another O, For N in another molecule, then there is a force ofattraction termed a dipole-dipole interaction. Thisattraction or "hydrogen bond" can have about 5%to 10% of the strength of a covalent bond.

Van der waals bonding

• Van der Waals bonds-are short rangeattractive forces between chemical groupsin contact. Caused by slight chargedisplacements.

Pauling’s Rule

• PR= basis for predicting mineralstructures(Refer to Handout for details)

5 Pauling’s Rules:1. A coordinated polyhedron of anions is formed

about each cation, the cation-anion distance beingdetermined by the sum of ionic radii and thecoordination number of the cation by the radiusratio.

2. The bond valence of each ion shouldapproximately equal to it oxidation state

soil 4- tich dien va hap phu

Documents