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低場時域磁共振技術用于土壤中水分遷移、水分子動力學研究

來源:江蘇麥格瑞電子科技有限公司   2023年09月21日 13:55  

低場時域磁共振技術用于土壤中水分遷移、水分子動力學研究

土壤是一種具有復雜成分的多孔介質系統,包括粘土(伊利石、高嶺石、蒙脫石等)、有機質(腐殖酸、酯等)等,作為一種非穩態多孔介質,其在吸水過程中孔隙狀態發生變化,并形成新的孔隙分布狀態。土壤中水分的滲透機理/水分遷移、水分子動力學等是一個復雜的過程,其對土壤微觀結構的影響,直接影響土壤的相關特性,如土壤的持水能力、吸濕量、土壤污染等。

水作為一種典型的含氫組分,是低場時域磁共振技術最主要的檢測目標物,通過對土壤吸水/失水過程中,土壤中水分弛豫時間的測量分析,可有效表征土壤的微觀結果,土壤中水分的遷移情況、滲透機理、水分子動力學等,為土壤性能分析,如土壤的孔隙分布、土壤的污染研究等提供支撐。

實驗方法:

土壤過篩后,稱取適量土壤,干燥,進行NMR弛豫時間測量;

干燥樣品中,加入5g、15g、35g的 0.05%硫酸銅溶液后,分別在靜置0min、5min、10min、30min、60min后,進行NMR弛豫時間測量。

測試儀器:

MAGMED-Soil-2260高精度土壤分析儀

數據結果:

1:干燥土壤、不同含水量土壤在靜置不同時間后的T2弛豫時間分布

土壤2.png

2:干燥土壤、不同含水量土壤T2弛豫時間反演譜圖累加值與含水量的擬合

數據分析:

1. T2弛豫時間分布圖上看,隨著含水量的增加,主峰右移,5g含水量對應主峰弛豫時間0.5ms,15g含水量對應主峰弛豫時間0.8ms,30g含水量對應主峰弛豫時間為1ms,可得出,隨著含水量的增加,土壤的微觀結構(微孔)發生變化;

2.  T2弛豫時間分布圖上看,土壤吸水后,首*入較小孔隙(對應弛豫時間<10ms),且水分在較小孔隙中的分布狀態隨著時間的變化而變化,并非穩態,主峰對應含水量逐漸加大,右側峰對應含水量逐漸降低,這說明,隨著時間的推移,水分逐漸向更小的孔隙遷移。(5g含水量土壤、15g含水量土壤)

3.  T2弛豫時間分布圖上看,當土壤吸收足夠量的水分,在微孔飽和后,土壤中的水分以更自由的形式存在(弛豫時間長、占據大孔)(35g含水量樣品);

4.  從T2弛豫時間反演譜圖累加值與含水量擬合關系圖上看,反演累加值與土壤樣品的總體含水量具有優異的線性關系,可用于測量土壤樣品的總體含水量。

 

綜上,通過不同含水量土壤在靜置不同時間后的一維弛豫時間分析,可推斷:水分進入土壤后,將立即滲透至不受約束的有機質中,形成凝膠相,不受約束礦物顆粒(粘土)的微孔中,這一過程很短。然而隨著水分的進入,土壤的組分單元將與水分產生相互作用,如水分滲透進有機質與礦物顆粒的結合界面,從而阻斷之間的氫鍵連接、離子鍵連接、共價鍵連接等,甚至還伴隨著水解作用的產生,隨著這些約束的破壞,其產物如分離出的有機質和礦物顆粒進一步吸水,從而最終達到水分傳輸分布的平衡狀態,反推,當如土壤失水干燥時,伴隨著凝膠相失水坍塌、有機質與礦物質在界面作用下,重新分型聚集,封閉微孔等。這可有效表征土壤在吸水/失水過程中微觀結構的變化,對土壤中水分的遷移、水分子動力學研究等提供依據,同時,這一微孔打開/封閉的過程,將極有可能使污染物在土壤中聚集,從而形成土壤污染。最后,T2弛豫時間反演譜圖累加值,可有效用于土壤總體含水量的測量,開展土壤持水能力的研究。


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