一种提取土壤中纳米颗粒的方法.pdf

本发明公开了一种从土壤中提取纳米颗粒的方法，土壤经化学和超声分散，制成土壤悬液于沉降容器中；根据粒径小于100nm的土壤颗粒的沉降时间，以蠕动泵驱动专用移液管吸取所需土壤粒径范围的悬液；吸取的土壤纳米颗粒溶液冷冻干燥；冷冻干燥得到的前驱体在高温中还原，得到土壤纳米颗粒粉体。本方法采用化学-物理分散，用蠕动泵驱动专用移液管吸取土壤悬液，提取效率高，提取的颗粒粒径符合纳米粒级范围，应用冷冻干燥法得到土壤纳米颗粒粉体，粉体均匀，方便后续研究工作。

1、  一种提取土壤中纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、待提取土壤样品的前处理：
将土壤样品自然风干后粉碎过筛，在过筛后的土壤样品中加入分散剂和蒸馏水浸泡，得到土液；
将土液超声分散均匀，得到土壤悬液；
B、提取土壤纳米颗粒溶液：
根据土壤悬液的水温和Stokes公式计算出粒径小于100nm的土粒沉降至某一特定位置的沉降时间，均匀搅拌土壤悬液，从停止搅拌起计算，在沉降时间到达时开始吸取特定位置以上的全部土壤悬液，得到土壤纳米颗粒溶液；
C、冷冻干燥法提取纳米颗粒前躯体：
吸取的土壤纳米颗粒溶液冷冻干燥，干燥阶段温度为-45℃～-50℃；
D、将冷冻干燥得到的纳米颗粒前驱体在250-700℃下还原3-6h，得到土壤纳米颗粒粉体。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于：石灰性土壤采用六磷偏酸钠作为分散剂；中性土壤采用草酸钠作为分散剂；酸性土壤采用氢氧化钠作为分散剂。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超声分散的功率为40-55W，超声分散的时间为30-60min。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中搅拌土壤悬液时，搅拌速度为20-40次/分钟。

5、  如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中吸取土壤悬液采用蠕动泵驱动移液管的方式。

一种提取土壤中纳米颗粒的方法
技术领域
本发明属于土壤化学领域，具体涉及一种提取土壤中纳米颗粒的方法。
背景技术
土壤纳米颗粒(soil nanoparticles)是指自然成土过程中形成的颗粒大小在纳米尺度(～1-100nm)的晶态和无定形固体物质。纳米颗粒在土壤中是十分普遍的，是环境纳米颗粒中最重要的组成分。研究表明，土壤中的纳米颗粒是环境中重要的元素载体，对元素的生物地球化学过程有重要影响；它对土壤中的重金属和有机污染物的迁移、转化、循环和生物有效性等起到控制作用；它强烈影响土壤发生、土壤理化性质和环境质量演变等重要环境过程。另外，人工合成的纳米颗粒如钠米氧化铁，是治理土壤污染的新材料，在去除土壤中的重金属和持久性有机污染物，治理污染环境方面有广泛的应用前景。因此，认识土壤环境中纳米颗粒的表面结构、微观形态、界面行为和功能等及其与环境效应机制是土壤与环境领域的重要发展趋势，对理解土壤中重金属和有机污染物的迁移、转化和自净作用具有重要的理论意义，也是开发纳米材料修复污染环境的重要理论依据。如2008年Hochella在Science上发表论文，认为测量和理解地球系统中的纳米颗粒起源、地理分布、相关的纳米化学和对地球系统的影响是地球科学今后的新挑战。
值得指出的是，纳米技术作为一项广泛应用的新技术，人工合成纳米颗粒的环境应用将导致这些物质进入环境，评价这些人工纳米颗粒的环境风险，如它们的移动性、反应性、生态毒理、持久性和健康效应等是非常重要的。因此，提取土壤中的纳米颗粒是理解和研究土壤纳米颗粒理化性质和环境行为的重要技术。由于土壤纳米科学技术才刚刚兴起，国际上2008年才出现系统的土壤纳米科学技术报告，如Wilson的“土壤中的纳米物质”和Maurice等的“土壤科学中的新尺度：纳米尺度颗粒和过程”等。由于土壤纳米颗粒具有不同于其他宏观粒子和微观分子及原子的特殊性质，它们具有许多独特的物理和化学性质。理解土壤中纳米颗粒的这些特征和环境行为与效应，需要从土壤中分离和提取这些纳米颗粒。目前，土壤纳米科学研究的方法体系还在探索中，国内外还缺乏系统的土壤纳米颗粒分离和提取方法。
目前，进行土壤纳米颗粒的分离和提取的初步方法主要是离心法、超过滤法等方法，这些方法重点解决了纳米颗粒的提取问题，但土壤中的纳米颗粒形态多样，并与土壤中不同的成分如有机质等存在显著的相互作用，如何将不同的纳米颗粒分离效果不理想；此外目前采用的提取方法操作条件不够严格，提取产物尤其是粒度易引入人为误差；提取的纳米颗粒粒度范围变化大，且缺乏统一标准，不能确保分析的平行性和准确性。因此，随着土壤纳米科学领域研究的逐渐深入，提出一种提取土壤中纳米颗粒的标准方法，对土壤学基础理论的拓深、以及土壤学应用研究的扩展，都具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种可操作性强、结果可靠的土壤中纳米颗粒提取的方法。
一种提取土壤中纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
A、待提取土壤样品的前处理：
将土壤样品自然风干后粉碎过筛，在过筛后的土壤样品中加入分散剂和蒸馏水浸泡，得到土液；将土液超声分散均匀，得到土壤悬液。
B、提取土壤纳米颗粒溶液：
根据土壤悬液的水温和Stokes公式计算出粒径小于100nm的土粒沉降至某一特定位置的沉降时间，搅拌土壤悬液，从停止搅拌起计算，到达沉降时间吸取特定位置以上的全部悬液，得到土壤纳米颗粒溶液。
C、冷冻干燥法提取纳米颗粒前躯体：
吸取的土壤纳米颗粒溶液冷冻干燥，干燥阶段温度为-45℃～-50℃。
D、将冷冻干燥得到的纳米颗粒前驱体在250-700℃下还原3-6h，得到土壤纳米颗粒粉体。
步骤A中采集的土样在室温下自然风干，去除土样中的砾石、岩屑及植物根系等杂物，通常，风干后的土样，磨细过100目筛。过筛后土壤可根据之后利用土壤纳米颗粒的不同目的选择是否去除土壤中的有机质及脱钙。
所述的分散剂可采用常用的分散剂，分散剂的加入量可以使土壤充分分散即可。但是由于不同土壤颗粒间的胶结物质不同，分散难易各异，因此，最优根据土壤pH值的不同，采用不同的分散剂。比如，石灰性土壤采用六磷偏酸钠，中性土壤采用草酸钠，酸性土壤采用氢氧化钠。
所述的超声分散的功率为40-55W，超声分散的时间为30-60min。超声分散的目的是让土壤充分分散，在上述条件下，已经可以使土壤充分分散，
步骤B搅拌土壤悬液时，上下速度要尽量均匀，搅拌速度控制在20-40次/分钟，使土壤悬液均匀分散，保持匀速沉降。
所述的悬液的吸取最优选用以蠕动泵驱动移液管的方式，蠕动泵速度控制在200-250转/分为宜，由蠕动泵驱动吸液可加快吸液速度，快速地将纳米颗粒悬液吸出，减少吸液过程对土壤沉降的干扰，吸液速度快速且均匀。蠕动泵可采用市售产品，并可根据蠕动泵的结构特点对移液管进行改造，使之更配合蠕动泵。
步骤C中对吸取的土壤纳米颗粒溶液进行冷冻干燥，可根据具体条件，选择直接将溶液盛放在容器中，送入冷冻干燥机搁板中直接冷冻；也可选择用气体压缩机带动喷雾器将稀释后的溶液喷雾到液氮中急速冷冻，得到固体球型小冰珠，将冻结后的固体小冰珠用不锈钢盘放置于真空冷冻干燥机内的搁板上进行冷冻干燥。
步骤D中冷冻干燥得到的前驱体在马弗炉中高温还原，得到纳米颗粒粉体。还原温度可根据提取的土壤纳米颗粒类型和用途进行调整，250-700℃下还原3-6h的条件更适用于提取无机纳米颗粒粉体。
与现有技术相比，本发明的提取方法具有如下的显著进步：
1、采用化学-物理分散结合的方法分散土壤样品，土壤分散完全，使得土壤钠米颗粒提取更完全。
2、用蠕动泵驱动专用移液管吸取土壤悬液，吸液速度快速均匀，大大提高提取效率；提取的颗粒粒径符合纳米粒级范围。
3、应用冷冻干燥法得到土壤纳米颗粒粉体，方便后续研究工作，且粉体均匀，消除了传统方法干燥过程中纳米颗粒重新胶结，影响后续研究的难点。
本发明采用蠕动泵驱动专用移液管吸取土壤悬液和冷冻干燥法结合提取土壤纳米颗粒，可操作性强，不破坏样品，提取结果可靠。
附图说明
图1为土壤中纳米颗粒提取的流程图。
图2是本发明提取的土壤纳米颗粒的透射电镜(TEM)观察图。
图3提取的土壤纳米颗粒粒径分布。
具体实施方式
红壤中钠米颗粒提取
将云南昆明采集的4个红壤样品在室温下自然风干。去除土样中的砾石、岩屑及植物根系等杂物后，将土样粉碎过筛，磨细，过100目筛。称取20g过100目筛的土样置于500mL三角瓶，加入0.5M氢氧化钠20mL。再加250mL蒸馏水浸泡过夜。把土液摇匀，在20℃、45W条件下超声分散40min，用蒸馏水将土壤悬液洗入1000mL沉降容器。控制土壤悬液为1000mL。
测量土壤悬液水温23℃，按水温计算出小于100nm范围土粒沉降到沉降容器5cm处的时间。用搅拌棒搅拌悬液1min，以搅拌结束为起始时间。在规定时间的前10秒钟开始吸液，以蠕动泵驱动专用移液管将沉降容器5cm深度的土壤悬液全部吸出，移入500mL三角瓶中。吸取适量的土壤悬液应用激光粒度仪测定提取的钠米颗粒的粒径分布，测定的颗粒粒径分布见图3。
冷冻干燥法获得土壤纳米颗粒粉体：直接将溶液盛放在直径约150mm的玻璃培养皿中，保持溶液深度约为30mm，送入冷冻干燥机搁板中直接冷冻。干燥阶段温度控制在-45℃～-50℃之间。将冷冻干燥得到的前驱体在马弗炉中250-700℃下还原3-6h，得到纳米颗粒粉体。
本实施例提取的土壤纳米颗粒的透射电镜(TEM)观察图见图2，并且4个土壤样品提取的纳米颗粒均在100nm以下(图3)，其不同纳米颗粒的粒径分布则根据土壤类型不同而异。