專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提取土壤中納米顆粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土壤化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種提取土壤中納米顆粒的方法。
背景技術(shù)：
土壤納米顆粒(soil nanoparticles)是指自然成土過(guò)程中形成的顆粒大小在 納米尺度( l-100nm)的晶態(tài)和無(wú)定形固體物質(zhì)。納米顆粒在土壤中是十分普 遍的，是環(huán)境納米顆粒中最重要的組成分。研究表明，土壤中的納米顆粒是 環(huán)境中重要的元素載體，對(duì)元素的生物地球化學(xué)過(guò)程有重要影響；它對(duì)土壤 中的重金屬和有機(jī)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)和生物有效性等起到控制作用； 它強(qiáng)烈影響土壤發(fā)生、土壤理化性質(zhì)和環(huán)境質(zhì)量演變等重要環(huán)境過(guò)程。另夕卜， 人工合成的納米顆粒如鈉米氧化鐵，是治理土壤污染的新材料，在去除土壤 中的重金屬和持久性有機(jī)污染物，治理污染環(huán)境方面有廣泛的應(yīng)用前景。因 此，認(rèn)識(shí)土壤環(huán)境中納米顆粒的表面結(jié)構(gòu)、微觀形態(tài)、界面行為和功能等及 其與環(huán)境效應(yīng)機(jī)制是土壤與環(huán)境領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)理解土壤中重金屬 和有機(jī)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和自凈作用具有重要的理論意義，也是開(kāi)發(fā)納米 材料修復(fù)污染環(huán)境的重要理論依據(jù)。如2008年Hochella在Science上發(fā)表論 文，認(rèn)為測(cè)量和理解地5求系統(tǒng)中的納米顆粒起源、地理分布、相關(guān)的納米化 學(xué)和對(duì)地球系統(tǒng)的影響是地球科學(xué)今后的新挑戰(zhàn)。
值得指出的是，納米技術(shù)作為一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，人工合成納米顆 粒的環(huán)境應(yīng)用將導(dǎo)致這些物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，評(píng)價(jià)這些人工納米顆粒的環(huán)境風(fēng) 險(xiǎn)，如它們的移動(dòng)性、反應(yīng)性、生態(tài)毒理、持久性和健康效應(yīng)等是非常重要 的。因此，提取土壤中的納米顆粒是理解和研究土壤納米顆粒理化性質(zhì)和環(huán) 境行為的重要技術(shù)。由于土壤納米科學(xué)技術(shù)才剛剛興起，國(guó)際上2008年才 出現(xiàn)系統(tǒng)的土壤納米科學(xué)技術(shù)報(bào)告，如Wilson的"土壤中的納米物質(zhì)"和 Maurice等的"土壤科學(xué)中的新尺度納米尺度顆粒和過(guò)程"等。由于土壤它們具有
許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。理解土壤中納米顆粒的這些特征和環(huán)境行為與 效應(yīng)，需要從土壤中分離和提取這些納米顆粒。目前，土壤納米科學(xué)研究的 方法體系還在探索中，國(guó)內(nèi)外還缺乏系統(tǒng)的土壤納米顆粒分離和提取方法。
目前，進(jìn)行土壤納米顆粒的分離和提取的初步方法主要是離心法、超過(guò) 濾法等方法，這些方法重點(diǎn)解決了納米顆粒的提取問(wèn)題，但土壤中的納米顆 粒形態(tài)多樣，并與土Jt裏中不同的成分如有機(jī)質(zhì)等存在顯著的相互作用，如何
將不同的納米顆粒分離效果不理想；此外目前采用的提取方法操作條件不夠 嚴(yán)格，提取產(chǎn)物尤其是粒度易引入人為誤差；提取的納米顆粒粒度范圍變化 大，且缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不能確保分析的平行性和準(zhǔn)確性。因此，隨著土壤納 米科學(xué)領(lǐng)域研究的逐漸深入，提出一種提取土壤中納米顆粒的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì) 土壤學(xué)基礎(chǔ)理論的拓深、以及土壤學(xué)應(yīng)用研究的擴(kuò)展，都具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可操作性強(qiáng)、結(jié)果可靠的土壤中納米顆粒提取的方法。
一種提取土:l襄中納米顆粒的方法，包括如下步驟
A、 待提取土;裏樣品的前處理
將土壤樣品自然風(fēng)干后粉碎過(guò)篩，在過(guò)篩后的土壤樣品中加入分散劑和 蒸餾水浸泡，得到土液；將土液超聲分散均勻，得到土壤懸液。
B、 提取土壤納米顆粒溶液
根據(jù)土壤懸液的水溫和Stokes公式計(jì)算出粒徑小于100 nm的土粒沉降 至某一特定位置的沉降時(shí)間，攪拌土壤懸液，從停止攪拌起計(jì)算，到達(dá)沉降 時(shí)間吸取特定位置以上的全部懸液，得到土壤納米顆粒溶液。
C、 冷凍干燥法提取納米顆粒前軀體
吸取的土壤納米顆粒溶液冷凍干燥，干燥階段溫度為-45。C ~-50°C。
D、 將冷凍干燥得到的納米顆粒前驅(qū)體在250-700 'C下還原3-6h，得到 土壤納米顆粒粉體。
步驟A中采集的土樣在室溫下自然風(fēng)干，去除土樣中的礫石、巖屑及植 物根系等雜物，通常，風(fēng)千后的土樣，磨細(xì)過(guò)100目篩。過(guò)篩后土壤可根據(jù)之后利用土壤納米顆粒的不同目的選擇是否去除土i裏中的有機(jī)質(zhì)及脫4丐。
所述的分散劑可采用常用的*劑，分散劑的加入量可以使土壤充分分 散即可。但是由于不同土壤顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)不同，分散難易各異，因此，
最優(yōu)根據(jù)土壤pH值的不同，采用不同的分散劑。比如，石灰性土壤采用六 磷偏酸鈉，中性土壤采用草酸鈉，酸性土壤采用氫氧化鈉。
所述的超聲分散的功率為40-55W，超聲分散的時(shí)間為30-60min。超聲 分散的目的是讓土壤充分分散，在上述條件下，已經(jīng)可以使土壤充分分散，
步驟B攪拌土壤懸液時(shí)，上下速度要盡量均勻，攪拌速度控制在20-40 次/分鐘，使土壤懸液均勻M,保持勻速沉降。
所述的懸液的吸取最優(yōu)選用以蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)移液管的方式，蠕動(dòng)泵速度控 制在200-250轉(zhuǎn)/分為宜，由蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)吸液可加快吸液速度，快速地將納米 顆粒懸液吸出，減少吸液過(guò)程對(duì)土壤沉降的干擾，吸液速度快速且均勻。蠕 動(dòng)泵可采用市售產(chǎn)品，并可根據(jù)蠕動(dòng)泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)移液管進(jìn)行改造，使之 更配合蠕動(dòng)泵。
步驟C中對(duì)吸取的土壤納米顆粒溶液進(jìn)行冷凍干燥，可根據(jù)具體條件， 選擇直接將溶液盛放在容器中，送入冷凍干燥機(jī)擱板中直接冷凍；也可選擇 用氣體壓縮機(jī)帶動(dòng)噴霧器將稀釋后的溶液噴霧到液氮中急速冷凍，得到固體 球型小冰珠，將凍結(jié)后的固體小水珠用不銹鋼盤(pán)放置于真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)的 擱板上進(jìn)行冷凍干燥。
步驟D中冷凍干燥得到的前驅(qū)體在馬弗爐中高溫還原，得到納米顆粒粉 體。還原溫度可根據(jù)提取的土壤納米顆粒類(lèi)型和用途進(jìn)行調(diào)整，250-700 °C 下還原3-6 h的條件更適用于提取無(wú)機(jī)納米顆粒粉體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的提取方法具有如下的顯著進(jìn)步
1、 采用化學(xué)-物理分散結(jié)合的方法分散土壤樣品，土壤分散完全，使得 土壤鈉米顆粒提取更完全。
2、 用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用移液管吸取土壤懸液，吸液速度快速均勻，大大 提高提取效率；提取的顆粒粒徑符合納米粒級(jí)范圍。
3、 應(yīng)用冷凍干燥法得到土壤納米顆粒粉體，方便后續(xù)研究工作，且粉 體均勻，消除了傳統(tǒng)方法干燥過(guò)程中納米顆粒重新膠結(jié)，影響后續(xù)研究的難
5點(diǎn)。
本發(fā)明釆用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用移液管吸取土壤懸液和冷凍干燥法結(jié)合提 取土壤納米顆粒，可操作性強(qiáng)，不破壞樣品，提取結(jié)果可靠。


圖1為土:l裏中納米顆粒提取的流程圖。
圖2是本發(fā)明提取的土壤納米顆粒的透射電鏡(TEM)觀察圖。 圖3提取的土壤納米顆粒粒徑分布。
具體實(shí)施例方式
紅壤中鈉米顆粒提取
將云南昆明采集的4個(gè)紅壤樣品在室溫下自然風(fēng)干。去除土樣中的礫石、 巖屑及植物根系等雜物后，將土樣粉碎過(guò)篩，磨細(xì)，過(guò)100目篩。稱(chēng)取20g 過(guò)100目篩的土樣置于500 mL三角瓶，加入0.5 M氫氧化鈉20 mL。再加 250 mL蒸餾水浸泡過(guò)夜。把土液搖勻，在20°C 、45W條件下超聲分散40 min, 用蒸餾水將土:l裏懸液洗入1000mL沉降容器?？刂仆?t襄懸液為1000 mL。
測(cè)量土i裏懸液水溫23 。C,按水溫計(jì)算出小于100nm范圍土粒沉降到沉 降容器5cm處的時(shí)間。用攪拌棒攪拌懸液lmin，以攪拌結(jié)束為起始時(shí)間。 在規(guī)定時(shí)間的前10秒鐘開(kāi)始吸液，以蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用移液管將沉降容器5cm 深度的土壤懸液全部吸出，移入500 mL三角并瓦中。吸取適量的土i裏懸液應(yīng) 用激光粒度^f義測(cè)定4是取的鈉米顆粒的粒徑分布，測(cè)定的顆粒粒徑分布見(jiàn)圖3。
冷凍干燥法獲得土壤納米顆粒粉體直接將溶液盛放在直徑約150 mm 的玻璃培養(yǎng)皿中，保持溶液深度約為30 mm,送入冷凍干燥機(jī)擱板中直接冷 凍。干燥階段溫度控制在-45。C -50。C之間。將冷凍干燥得到的前驅(qū)體在馬 弗爐中250-700 。C下還原3-6h，得到納米顆粒粉體。
本實(shí)施例提取的土壤納米顆粒的透射電鏡(TEM)觀察圖見(jiàn)圖2，并且 4個(gè)土壤樣品提取的納米顆粒均在100 nm以下(圖3 ),其不同納米顆粒的 粒徑分布則根據(jù)土壤類(lèi)型不同而異。
權(quán)利要求
1、一種提取土壤中納米顆粒的方法，其特征在于，包括如下步驟A、待提取土壤樣品的前處理將土壤樣品自然風(fēng)干后粉碎過(guò)篩，在過(guò)篩后的土壤樣品中加入分散劑和蒸餾水浸泡，得到土液；將土液超聲分散均勻，得到土壤懸液；B、提取土壤納米顆粒溶液根據(jù)土壤懸液的水溫和Stokes公式計(jì)算出粒徑小于100nm的土粒沉降至某一特定位置的沉降時(shí)間，均勻攪拌土壤懸液，從停止攪拌起計(jì)算，在沉降時(shí)間到達(dá)時(shí)開(kāi)始吸取特定位置以上的全部土壤懸液，得到土壤納米顆粒溶液；C、冷凍干燥法提取納米顆粒前軀體吸取的土壤納米顆粒溶液冷凍干燥，干燥階段溫度為-45℃～-50℃；D、將冷凍干燥得到的納米顆粒前驅(qū)體在250-700℃下還原3-6h，得到土壤納米顆粒粉體。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于石灰性土壤采用六磷偏酸 鈉作為分散劑；中性土壤采用草酸鈉作為分散劑；酸性土壤采用氫氧化鈉作 為分散劑。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的超聲分散的功率為 40-55W，超聲分散的時(shí)間為30-60min。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于步驟B中攪拌土壤懸液時(shí)， 攪拌速度為20-40次/分鐘。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟B中吸取土壤懸液采 用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)移液管的方式。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種從土壤中提取納米顆粒的方法，土壤經(jīng)化學(xué)和超聲分散，制成土壤懸液于沉降容器中；根據(jù)粒徑小于100nm的土壤顆粒的沉降時(shí)間，以蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用移液管吸取所需土壤粒徑范圍的懸液；吸取的土壤納米顆粒溶液冷凍干燥；冷凍干燥得到的前驅(qū)體在高溫中還原，得到土壤納米顆粒粉體。本方法采用化學(xué)-物理分散，用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用移液管吸取土壤懸液，提取效率高，提取的顆粒粒徑符合納米粒級(jí)范圍，應(yīng)用冷凍干燥法得到土壤納米顆粒粉體，粉體均勻，方便后續(xù)研究工作。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101607691SQ200910100809
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者盧升高, 蕊 朱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)