인 폭탄이 똑딱 거리고 있습니다
최근의 인 위기는 지구에서 인간의 노력을 위협합니다. 식품 생산을 유지하려면 모든 생명체의 필수 빌딩 블록이기 때문에 인 수정이 필요합니다. 한편으로, 인이 풍부한 광산은 제한된 자원입니다. 반면에, 우리 강과 바다에 대한 손실은 부영양화, 즉 독성 조류 꽃으로 이어집니다. 2008 년에, 바다에 대한 전 세계 인 손실의 재구성은 3600 년까지 모든 인 매장량이 고갈 될 것이라는 예측으로 이어졌습니다. 그때까지 인간은 멸종되었거나 인을 재활용하는 새로운 방법을 찾았을 것입니다.
유럽에서는 식물이 1965-2007 년 사이에 비료 (1 115 kg P ha)로 경작지에 적용된 P의 약 30% 만 차지했습니다. 이로 인해 경작 토양에서“유산 인”의 거대한 풀이 생겨났습니다. 해당 누출 속도는 아직 알려지지 않았습니다. 특히 전통적인 모델의 예측에 따르면 인의 수직 침출은 대부분의 배수가 잘되는 토양에서 수 세기 후에 만 지하수에 도달 할 수 있습니다. 그러나, P의 지하 강화 및 배수수에서의 상당한 인 손실이 종종보고된다. 따라서 토양에서 인의 빠르고 수수께끼의 수직 마이그레이션을 설명 할 수있는 모델이 크게 필요합니다.
침출, 분석 및 모델링
우리는 열 실험의 데이터 분석과 지구 화학적 모델링을 통해 농업 토양에서 수직 인 이동의 메커니즘을 설명하기 시작했습니다. 박사 학위를 시작하기 전에 우리 그룹의 전 연구원 인 Thijs Vanden Nest와 Fien Amery는 120 개의 열로 침출 실험을 수행했습니다. 인공 빗물이 기둥의 상단에 적용되어 농업 토양으로 가득 차 있었고 바닥의 진공 펌프는 불포화 된 현장 조건을 모방했습니다. 기둥의 바닥에서 침출 된 물을 분석하여 962 개의 침출수 샘플로 이어졌습니다. 저의 임무는 데이터를 풀로 분석하고 표면 착물 모델의 사용을 평가 하여이 열에서 인한 인 침출을 설명하는 것이 었습니다.
.전통적인 견해가 확인되었다
잘 정화 된 농업 토양에서, 대부분의 인 (P)은 무기 인산염 (po 4 로 존재한다. ), 즉, 4 개의 산소 원자로 둘러싸인 그 중 3 개는 수소 원자에 의해 결합 될 수있다. 음으로 하전 된 이온은 철 (Fe) 및 토양의 알루미늄 (Al) 옥시 하이드 록 사이드의 표면에 강하게 결합하여 이동을 제한한다. 그림 1은 초기 결과를 보여줍니다. 인산염 고체-액체 분포 계수가 증가함에 따라 침출수 인 농도는 감소한다 (k d 토양의)) 토양의 고체에 의한 인산염 흡착 강도를 측정하고 방사선 추적 실험에서 결정했습니다 (그림 2의 오른쪽 패널). 좌측 패널은 인산염 포화도의 정도, 즉 산 옥살 레이트 추출물에서 Fe 및 Al 양의 P에서 절반의 양의 비율이 증가함에 따라 침출수 인 농도가 증가 함을 보여준다 :
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수평 적색 선은 플랑드르 지표수에서 총 P 농도에 대한 환경 한계를 나타냅니다. 대부분의 침출수 샘플은이 한계를 몇 배씩 초과합니다.
그림 2. 침출수 샘플 ([P], µmol L)에서 인의 농도는 오르토 포스페이트 분포 계수 (k d 와 밀접하게 상관됩니다. ) 및 인산염 포화도와 함께 : 이것은 철과 알루미늄 산시 히드 록시 사이드에서의 인산염의 흡수가 침출액에서 인산 인의 농도를 조절할 수 있음을 보여 주었다. 인 농도 및 k d 로그 척도에 표시됩니다. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.12.012에서 elsevier의 허가를받은 수치.
두 가지 강한 상관 관계는 철 및 알루미늄에서의 인산염 흡착이 P- 침출을 제어했음을 시사했다. 그러나, 우리의 표면 복잡한 모델링 노력, 즉이 흡착 과정에 대한 자세한 수학적 설명은 만족스러운 설명을 얻지 못했습니다. 몇 가지 경우에만 예측 된 인 농도가 관찰 된 것과 일치했습니다.
나노 입자는 수직 인 수송을 용이하게합니다 :무료 배송!
그런 다음 우리가 기대하지 않은 일이 일어났습니다. 나노 입자가 존재했습니다! 먼저, 우리는 450-nm 필터링 된 침출수 샘플에서 비교적 큰 농도의 Fe 및 Al을 발견했습니다. 또한, 두 요소의 농도는 매우 양의 상관 관계가 있었다 (도 3). Fe와 Al은 모두 이온으로 나타날 수 없습니다. 즉,“진정으로 용해된다”. 그렇다면 화학 이론은 철 및 알루미늄 옥시 하이드 록 사이드 광물로 쉽게 침전 될 것으로 예측합니다. 그것이 바로 둘 사이의 강한 상관 관계를 정확히 설명하는 것입니다. 아마도, 침출수의 Fe와 Al은 나노 입자로서 존재하였고 자연수에서 일반적으로 관찰되는 것과 동일한 콜로이드 크기의 입자 (즉, 큰 나노 입자 :1-450 nm)에서 서로 연결되었다. 나노 입자가 존재하지만 무엇입니까?
나노 입자의 주요 특징은 매우 넓은 특이 적 표면적 (즉, 면적 대 질량 비율)입니다. 측면 길이가 1cm 인 큐브의 표면적은 6cm입니다. 큐브를 8 개의 동일한 작은 큐브로 자르면 질량이 변하지 않지만 표면적은 두 배가됩니다. 이 17 번 반복하면 나노 범위가 나옵니다. 큐브는 길이가 약 80 nm이며 총 표면적은 약 80 만 cm입니다. 천연 철 옥시 하이드 록시 사이드는 그램 당 최대 600m의 특정 표면적을 가질 수있는 것으로 잘 알려져 있습니다! 이 모든 표면은 인산염과 같은 이온에 결합 할 수 있습니다. 시장의 경쟁 업체보다 80 만 배 더 많은 패키지를 운송 할 수있는 운송 회사를 상상해보십시오. Nano로 갈 것입니까?
30%미만의 인산염 포화도가있는 토양의 경우, 인의 침출수 농도는 Fe 및 Al의 농도가 증가함에 따라 증가합니다 (청색 점,도 4). 따라서 토양 액체상에서 나노 입자의 농도를 증가 시키면 침출수 인 농도가 증가하지만 저숙 한 토양의 경우에만 가능합니다.
이러한 결과는 Fe 및 Al을 함유하는 천연 나노 입자가 농업 토양에서 인을 결합하고 수송하여 인 침출 및 부영양화를 높일 수 있음을 시사한다. 그러나 이것은 수학적으로 설명 될 수 있습니까? 그리고 모델이 똑같이 제안할까요? 실제로, 본 발명자들은 단순히 모델에서 나노 입자를 제 3 상 (고체 미립자 상, 액체 상 및 고체 나노 분립 상)으로 통합 하였다. 그런 다음 인은 화학 평형 법칙에 의해 3 단계에 대해 나뉘어졌습니다.
갑자기, 우리의 예측의 정확성은 두 배가되었습니다! 더욱이,이 모델은 나노 입자가 50 인자까지의 침출수 인 농도를 향상시킬 수 있지만 낮은 포화 토양에 대해서만 예측했다. 인으로 포화 된 토양에서는 나노 입자의 표면조차도 포화됩니다. 결과적으로 인에 대한 그들의 친화력이 떨어집니다. 패키지가 과부하 된 우체맨은 그것들을 떨어 뜨려 배달하지 못합니다! 이것은 그림 3을 설명했다.
철 및 알루미늄 나노 입자, 최
결론적으로, 우리는 토양 조절에서 철 및 알루미늄 옥시 하이드 록 사이드에서의 인산염 흡착이 침출수 인 농도를 발견했다. 미립자 상에서 철 및 알루미늄 옥시 하이드 록 시드는 움직이지 않으며 인산염의 결합은 그 이동을 방해합니다. 그러나, 이들 옥시 하이드 록시드는 나노 크기의 치수를 가질 수 있으며 토양 용액에 존재할 수있다. 이동 나노 입자는 포스페이트에도 결합하여 인 이동 및 부영양화를 향상시킨다. 우리의 표면 착물 모델은 토양에서 인의 나노 분립 수송을 이해하는 강력한 도구였습니다. 그러나 토양에서 나노 입자의 양, 크기 및 이동성을 제어하는 메커니즘에 대해서는 아직 발견되지 않았다.
참조 :
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