土体有机重构材料的扫描电镜研究进展

摘 要：本文对土体有机重构概念以及几种土壤添加材料目前的扫描电镜研究成果做了介绍，对几种材料在今后研究过程中采用扫描电镜进行微观结构研究做了展望。

关键词：土体有机重构；材料；扫描电镜

中图分类号：S121 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180133208

引言

土体是指由一种以上土层构成的组合体，其广泛分布于地球表层，作为一个整体发挥作用，是一个十分复杂的自然体[1]。土地自然利用过程比较缓慢，土壤形成可能需要几千年、几万年，而土体有机重构就是在尊重自然规律的基础上，通过工程手段加快这一进程，以无机过程带动有机过程、以有机过程促进无机过程，构建良好的土体结构。土体有机重构的服务对象是有机生命体，通过对一定深度土体进行研究，以置换、复配和增减等技术手段，为承载生命体提供必要的条件。土体有机重构与其它构筑物的基础研究有着本质区别，它具有一定的生命特征，并能维护生命体繁衍发育的过程。

扫描电镜应用于土壤学领域，在土壤微形态、黄土湿陷结构和矿物风化超微特征等方面得到应用，可得到土壤微结构及元素组成和及分布特征，丰富了土壤学的研究内容。本文介绍采用扫描电镜对土体有机重构材料的结构和性质进行研究的已有成果，并做展望。

1 土体有机重构材料的扫描电镜研究

1.1 生物炭的扫描电镜研究

缺氧条件下对生物质进行高温处理，将生物质中的油和气燃烧掉，剩下的就是生物炭。Abdel-Fattah等[2]对松木制成的生物炭进行扫描电镜观测，显示了生物炭样品的多孔结构，沟道状结构使生物炭的表面积激增，大的表面积赋予生物炭强吸附能力，生物炭吸附于土壤颗粒表面、可用于去除重金属污染。Fellet等[3]研究了由不同植物原料制备的3种类型的生物炭，扫描电镜和能谱仪联用显示3种生物炭结构在孔隙度、粒团、元素组成方面有所差异。将生物炭按3种剂量（质量分数分别为0，1.5，和3%）施用到尾矿土体，对土壤pH、电导率、阳离子交换量以及重金属的生物利用度都有不同程度的影响。生物炭能减少Cd和Pb的积累，它在植物修复方面具有应用潜力，其修复效果依赖于制备生物炭的植物原料类型，修复土体的特性也决定了选用何种生物炭。

1.2 石墨烯的扫描电镜研究

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由1层碳原子组成的二维晶体，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。Naseri等[4]研究了石墨烯氧化物纳米片对胶结土的土力学性质的影响，研究结果显示，石墨烯氧化物的添加使得土壤的塑性和压缩系数减小，土壤的拉伸和剪切强度随添加的石墨烯氧化物浓度的增加而增强，无侧限抗压强度也随石墨烯氧化物含量的增多而增强。石墨烯氧化物作为稳定剂对稳定土壤的机械性能有很大的影响。扫描电镜和X射线衍射分析仪（XRD）被用来表征石墨烯氧化物和土壤样品的结构。图2a示出了膜厚度为20～30 nm的合成石墨烯氧化物纳米片的扫描电镜图像，石墨烯氧化物纳米片的尺寸测量值大约在0.2～3mm之间。合成的石墨烯氧化物纳米片的XRD图如图2b所示，12.348°处强烈而尖锐的峰值是由于石墨官能团氧化引起的[5]。土壤/水泥和土壤/水泥/0.05%石墨烯氧化物的扫描电镜图像如图2c和d所示，将石墨烯氧化物纳米片添加到土壤/水泥复合材料中可以有效地迫使裂缝在纳米片周围扭曲并填充颗粒之间的一些孔隙，导致具有较小孔隙的颗粒集群形成更致密的土体。Pan等[6]报道了含石墨烯氧化物的水泥具有类似的趋势。

1.3 保水剂的扫描电镜研究

保水剂使用的是高吸水性树脂，它是一种吸水能力特别强的功能高分子材料，它无毒无害，反复释水、吸水，因此农业上人们把它比作“微型水库”。它还能吸收肥料、农药并缓慢释放，增加肥效、药效。王立娟等[7]利用微波辅助合成了亚麻屑纤维素基土壤保水剂，用扫描电镜观察发现合成的保水剂表面多孔，充分吸水后有很强的成膜性。该保水剂在pH为7时，吸水倍率达到最大值991g/g，合成的保水剂经6次吸水—烘干循环后，失去再吸水能力，具有良好的保水性。苗宗成等[8]获得了1种基于黄原胶—蒙脱土的新型复合保水剂材料，实验表明在50℃条件下，单独使用该复合材料8h后保水率为53.7%，而与沙土混合后的保水率为65.2%，说明该保水剂具有显著抑制水分挥发的能力，且在沙土中恒温条件下的保水能力进一步增强。使用扫描电镜对改复合保水材料表面进行了观察，如图3所示，黄原胶/蒙脱土复合保水剂的孔度最大，网状结构明显，具有巨大的表面积，有利于对水分子的吸附。通过扫描电镜可直观看到保水剂微观结构，探究结构对其性质的影响作用。

1.4 脱硫石膏的扫描电镜研究

脱硫石膏又称排烟脱硫石膏，主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙CaSO4·2H2O，含量≥93%。脱硫石膏的颗粒大小较为平均，其分布带很窄，高细度（200目以上），颗粒主要集中在30～60μm之间。通过盐分离子间的置换作用，将吸附在土壤颗粒表面上的Na+离子利用脱硫石膏中富含的Ca2+离子进行置换，可进行盐碱地改良。Camarini等[9]用扫描电镜观察了商用石膏commercial gypsum plaster （CGP）和由建筑垃圾制成的回收石膏Recycle Gypsum Plaster（RGP），其晶體结构呈棱柱状，如图4所示。回收石膏和商用石膏具有类似的构型，回收石膏的晶型相对拉长了一些。脱硫石膏可应用于盐碱地治理方面，Mao等[10]研究了0，15，30，45和60Mg/ha的脱硫石膏施用对盐碱土性质的影响，研究结果显示施用60 Mg/ha的脱硫石膏对0～10cm土壤的效果最显著，6个月后，交换性钠离子的百分比降到6%以下，pH降到7，可溶性盐离子的种类基本从Na+、HCO3+、CO3+、Cl-离子转换成了Ca2+和SO42-离子，非盐生植物的存活率达到90%。脱硫石膏进行盐碱地治理，效果良好，而目前尚未见有关脱硫石膏改良盐碱地的微观结构研究，探求结构改良对性质提升的影响作用，如若能弥补该研究的空白，将有利于脱硫石膏作用的发挥以及盐碱地整治工作的进一步发展。

1.5 聚丙烯酰胺（PAM）的扫描电镜研究

聚丙烯酰胺分子式为（C3H5NO）n，是一种线状的有机高分子聚合物，也是一种高分子水处理絮凝剂产品，专门可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒形成比较大的絮团。冯玉军等[11]用扫描电镜和环境扫描电镜观察了聚丙烯酰胺溶液的表面形貌，发现聚丙烯酰胺在溶液中确实形成了一种空间网络状结构，具有桥接作用。Maghchiche等[12]观察了酸性土壤、半酸性土壤、纤维素、聚丙烯酰胺+纤维素改良后的酸性土壤以及聚丙烯酰胺+纤维素改良后的半酸性土壤的微观形貌，能看到聚丙烯酰胺+纤维素将土壤离子聚合起来，有助于减少土壤水分蒸发和渗漏，提高保水性。有关聚丙烯酰胺改良盐碱土等的微观结构研究还很少，是今后努力的方向。

2 小结与展望

土体有机重构是以实现土壤有多样性生命体存活的土壤为目标进行有机的重构，可采用在土体中添加材料的措施进行，添加的材料大多从结构上对土体进行改造，进而影响土壤性质。本文主要介绍了土体有机重构材料的微观结构及添加材料与土壤相互作用后的微观结构研究成果，对这些土壤添加材料今后的研究方向做了展望。

参考文献

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作者简介：郭航（1989-），女，陕西咸阳人，博士，工程师，主要从事土地工程及相关研究。