流动电位是指电解质溶液流经固相带电表面间形成的毛管孔隙时产生电位差的现象^[1]。当电解质溶液在外力（ΔP）作用下通过带电毛细管或多孔介质时，带电表面双电层的扩散层中的离子也会随之移动，形成流动电流（I_s）。同时，由于固相带电表面和电解质中离子的静电作用，电解质溶液中与固相带电符号相反的离子会沿电解质溶液的流动方向产生积累，从而在毛细管或多孔介质两端产生电位差（ΔE），ΔE称为流动电位^[2]。在ΔE的作用下，会沿电解质溶液流动的相反方向产生电导电流（I_c）。当体系稳定时，I_s和I_c大小相等，方向相反^[3]。根据I_s和I_c相等的关系，当ΔP改变时，ΔE的大小也会发生改变。对于给定的带电表面和电解质溶液，ΔE与ΔP呈直线相关，两者的比值（直线斜率）是一特定值，称为流动电位系数（C=ΔE/ΔP）^[4]。将流动电位系数带入Helmholtz-Smoluchowschi（H-S）方程可计算得到固相带电表面的zeta电位（ζ）^[5]。zeta电位是带电固相发生动电现象时双电层中剪切面处的电位，常用来表征带电固相的表面电化学特征^[6]。在不考虑表面电导和考虑表面电导时，H-S方程的表达式分别如式（1）和式（2）所示^[2，7]：

式中，ζ为固相在电解质溶液中的zeta电位；ΔE为电解质流经固相孔隙后在两端产生的流动电位（mV）；ΔP为电解质溶液流动的驱动外力，即电解质溶液流经固相孔隙时在固相两端存在的液压差（Pa）；K为待测电解质溶液的电导率（S·m^–1）；K'_L为待测电解质溶液充满固相孔隙后的总电导率（S·m^–1）；K_HL为高浓度电解质溶液（常用0.1 mol·L^–1 KCl溶液）的电导率（S·m^–1）；K'_HL为高浓度电解质溶液充满固相孔隙后的总电导率（S·m^–1）；η和ε为常数，分别为电解质溶液的黏度（Pa·S）和介电常数（F·m^–1）。当电解质溶液离子强度较低时，双电层厚度增加，双电层占整个毛管孔径的比例较大。由双电层产生的表面电导占总电导的比例较大，此时必须考虑表面电导的影响^[8]。而当电解质溶液浓度大于1 mmol·L^–1时，双电层厚度被压缩，此时可不用考虑表面电导对zeta电位测定结果的影响^[9]。

可以看出，由于流动电位是电解质溶液流动而带电物体固定不动。为便于固定，在实际测定中的研究对象均是尺寸较大的带电物体^[10]。因此，可基于流动电位原理测量大尺寸带电物体的zeta电位。市售的商品化流动电位测量仪较少，生产厂家全为欧美发达国家所属的公司（美国Brookharven公司、奥地利Anton Paar公司和法国CAD Instruments公司）。一台商品化的流动电位测量仪通常需要几十万元人民币，价格较高。目前尚无国产的流动电位测量仪生产销售^[11-12]。

土壤科学研究中，快速准确地测定矿物、土壤、植物根系的zeta电位对表征这些固相的表面电化学特征极为重要^[13-14]。目前常采用基于电泳原理和流动电位原理的仪器来测量这些固体在电解质溶液中的zeta电位，其中以基于电泳原理的商品化zeta电位仪最为常见^[15]。采用电泳法进行测量时要求待测样品为稳定的胶体悬液，因此需要较为复杂的前处理以便将矿物、土壤等测量对象制成胶体。矿物和土壤样品需要通过研磨、过筛、分散乃至提胶体等前处理，对于植物根系需要提取原生质体或细胞壁等前处理^[14，16]。这些复杂的前处理不仅费工费时，还有可能对样品的理化性质产生影响，从而影响测定结果的准确性^[16]。此外，实践中常发现当胶体悬液pH在其等电点pH（IEP）附近时，基于电泳原理的zeta电位仪极难获得可靠的数据。其原因在于此时胶体表面净电荷量低，悬液中胶体颗粒易发生絮凝而难以维持稳定，从而使仪器无法进行测量。采用流动电位法进行测量时，要求待测样品为大尺寸带电物体，而不同研究领域的大尺寸带电物体形状和性状千差万别，商品化流动电位测量仪只能满足部分样品的测试需求，大部分研究者均根据所研究样品的特点自行研制测量设备^[17]。因此，本研究针对土壤学研究中的矿物、土壤、植物根系等样品，研制了一款结构简单、成本极低的测量zeta电位的流动电位装置，该装置的可操作性极强，具有较高的推广应用潜力。

采用自制简易流动电位装置测量石英砂和包铁石英砂在不同溶液条件下的zeta电位。所用的石英砂购自国药化学试剂有限公司，粒径大小为0.42~0.85 mm，清洗烘干后备用^[18]。包铁石英砂的制备方法为在盛有500 g石英砂的蒸发皿中加入100 mL 253.2 g·L^–1的FeCl₃∙6H₂O溶液和100 mL 112.4 g·L^–1的NaOH溶液；搅拌均匀后在105 ℃的烘箱中烘干，再将制得的包铁石英砂电渗析纯化至溶液电导率小于5 μS·cm^–1，再在105 ℃的烘箱中烘干备用^[19]。包铁石英砂的Fe含量为4.95 mg·g^–1，包被在石英砂表面的铁（氢）氧化物为针铁矿和赤铁矿^[20]。另取清洗干净的石英砂用玛瑙研钵磨细过300目筛，用于电泳法测定石英胶体的zeta电位。

一种简易的流动电位测量装置如图 1和图 2所示，其中图 1为流动电位测量装置的结构示意图，图 2为图 1中测量室的详细结构示意图。流动电位测量装置由电解质储液箱和测量室组成。选用内径8 cm、高度40 cm的有机玻璃管作为电解质储液箱。电解质储液箱为带刻度的圆柱体，零刻度线位于最上方，最小刻度单位为1 cm，刻度总长为38 cm。电解质储液箱和测量室之间通过带三通阀的软管连接。测量室为一长度8 cm、内径2.2 cm的圆柱体。待测矿物或土壤样品填充于测量室中间，储液箱中的电解质溶液在重力作用下自下而上流经待测样品。在待测样品两端布置一对Ag/AgCl电极（图 2b中5-1和5-2）连接电位计以测量样品两端产生的ΔE，电位计正极连接电解质溶液入口端的Ag/AgCl电极（5-2），负极连接电解质溶液出口端的Ag/AgCl电极（5-1）。另布置一对Pt电极（图 2b中的6-1和6-2）连接电导率仪以测量电解质溶液充满样品孔隙时样品的总电导率。在测量室的侧壁开有两个接口（图 2b中8-1和8-2）连接数字压差计以校正电解质储液箱中溶液液面下降时样品两端产生的液压差。通过调节三通阀，使AB端连通、C端关闭，电解质溶液从测量室底部入口（图 2b中1）进入测量室，流经样品后从测量室顶部出口（图 2b中4）流出。

图 1 简易流动电位测量装置的结构示意图（a）和实物图（b） Fig. 1 Schematic diagram(a)and picture(b)of streaming potential measuring apparatus

注：图 2b中1和4分别为测量室电解质溶液的流入口和流出口，2-1、2-2、2-3、2-4和2-5为连接螺纹，3-1和3-2为尼龙筛网，5-1和5-2为Ag/AgCl电极，6-1和6-2为Pt电极，7-1和7-2为止水阀，8-1和8-2为压差计接口，9为样品腔室。  Note: In Fig. 2b, 1 and 4 are the inlet and outlet for electrolyte in the measuring cell. 2-1、2-2、2-3、2-4 and 2-5 are screw threads. 3-1 and 3-2 are nylon nets. 5-1 and 5-1 are Ag/AgCl electrodes, 6-1 and 6-2 are Pt electrodes, 7-1 and 7-2 are valves, 8-1 and 8-2 are the connectors for manometer, 9 is the sample chamber. 图 2 简易流动电位测量装置测量室的整体结构示意图（a）、详细结构示意图（b）、整体结构实物图（c）、拆分结构实物图（d）和电极帽实物图（e） Fig. 2 The structure diagrams(a and b)and pictures(c, d and e)of measuring cell of streaming potential apparatus in this study

测量室可分为“帽”和“身”上下两部分，将待测样品固定在测量室中间。60目尼龙筛网（图 2b中3-1）在螺纹（图 2b中2-2）作用下固定在测量室下部，形成测量室的“身”。另有60目的尼龙筛网（图 2b中3-2）通过螺纹（图 2b中2-4）作用固定在样品室上部，形成测量室的“帽”。尼龙筛网既固定样品又能使电解质溶液顺利流过，筛网孔径可根据待测样品的粒径大小适当选择。尼龙筛网破损后可通过螺纹（图 2b中2-2和2-4）进行更换。称取一定质量的待测样品填充满于测量室“身”的上腔室中（图 2b中9），然后通过螺纹（图 2b中2-3）将样品室的“身”和“帽”相连接，将待测样品固定在测量室中央，且上下两端留有空腔室以布置测量电极。上下两端的空腔室可以通过螺纹（图 2b中2-5和图 2b中2-1）拧开，以便清洗。在上下两端空腔室的顶部和底部各布置了一对Ag/AgCl电极（图 2b中5-1和5-2）和Pt电极（图 2b中的6-1和6-2）。在上下两端的空腔室壁布置了测量液压差的接口（图 2b中8-1和8-2），该接口可通过阀门（图 2b中7-1和7-2）进行开关。

采用流动电位法测量石英砂和包铁石英砂zeta电位，操作过程大致如下：

1）样品填装和溶液准备。称取8.80 g固相待测样品填充满于腔室（图 2b中9）中，旋紧螺纹（图 2b中2-3）以将测量室紧密组装好；固定好电解质储液箱和测量室的相对位置，使测量室的溶液流出口与电解质储液箱最低刻度线持平（图 1a），并用带三通阀的软管连接好，调节三通阀至A端关闭、BC端联通；将去离子水盛装于电解质储液箱中并超过零刻度2 cm左右。

2）液面刻度与ΔP对应关系的建立。将数字压差计连接到压差测量接口处（图 2b中8-1和8-2），打开阀门（图 2b中7-1和7-2），调节三通阀至AB端连通，去离子水在重力作用下饱和并流经测量室中的固相多孔介质（图 2b中9）。液面下降至零刻度时开始记录数字压差计数值；此后液面每下降1 cm，记录一次数字压差计的数值，获得电解质储液箱中液面下降高度和固相样品两端液压差（ΔP）的关系曲线。粒径相同的固相样品在测量室中填装后具有大致相同的孔隙结构。因此对于粒径相同的固相样品，只需建立一次关系曲线，在后续测量中只需记录液面下降高度，带入之前获得的关系曲线，便可计算得到ΔP，使后续的测量过程更加简洁。

3）流动电位测量。在完成测定步骤（2）后，关闭阀门（图 2b中7-1和7-2），可将数字压差计移走；将电位计的正负极分别与测量室下端和上端的Ag/AgCl电极相连。调节三通阀（3）使A和C端、B和C端联通，以使测量装置中的去离子水排干，最后调节三通阀（3）至BC端联通；与步骤（1）类似，将研究所需的电解质溶液填装到储液箱中；与步骤（2）类似，打开电位计，调节三通阀至A和B端连通，电解质溶液在重力作用下饱和并流经测量室中的固相多孔介质；至液面下降至零刻度时开始记录电位计的毫伏值（ΔE）；此后液面每下降1 cm，记录一次电位计的毫伏值，这样就可获得固相样品产生的流动电位信号随电解质液面高度变化的关系。结合实验步骤（2）中获得的液面高度和液压差关系曲线可最终计算得到流动电位系数（C=ΔE/ΔP）。

4）电导率测定。若不考虑表面电导的影响，可直接用商品化的电导率仪测定溶液电导率值（K）。将测得的C和K带入式（1）可计算得到固相样品在忽略表面电导时的zeta电位。若要考虑表面电导对zeta电位的影响，还需测量待测电解质溶液和高浓度电解质溶液（常用0.1 mol·L^–1 KCl）充满待测样品孔隙后的总电导率。在完成测定步骤（3）后，将电位计连接断开，将电导率仪分别与测量室上下端的Pt电极相连；由于测量室的出水口高于进水口，在完成测定步骤（3）后固相样品仍被电解质溶液所饱和，此时打开电导率仪可测量得到待测电解质溶液充满固相孔隙后的总电导率（K_L^'）；然后，与测定步骤（3）类似，调节三通阀使测量装置中的电解质溶液排干并使三通阀的AB端连通；将约200 mL的0.1 mol·L^–1 KCl溶液加入电解质储液箱中，KCl溶液在重力作用下流入并充满固相样品的孔隙，此时打开电导率仪可测量得到高浓度电解质溶液充满固相孔隙后的总电导率（K_HL^'）；0.1 mol·L^–1 KCl溶液的电导率（K_HL）可通过查表获得，也可采用商品化的电导率仪进行直接测定。将测得的C和电导率（K_L^'、K_HL^'、K_HL）代入式（2）可计算得到考虑表面电导时固相样品在该电解质溶液中的zeta电位。按如上相同的测定步骤，可测量待测样品在不同溶液条件下的zeta电位，从而对其表面电化学特征进行表征。需要说明的是流动电位法是将大量样品填充到测量室中进行测量，因此测得的zeta电位为该部分样品的平均zeta电位或表观zeta电位。

本研究开展了以下试验内容，以对流动点位装置测定结果的准确性和可靠性进行验证：

1）流动电位法测量。首先建立好液面刻度与ΔP间的关系曲线。然后测量了石英砂在不同浓度电解质溶液中考虑表面电导和未考虑表面电导时的zeta电位。所用不同浓度电解质溶液为0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、2.0和5.0 mmol·L^–1 NaCl溶液，各溶液的电导率分别为2.65、7.16、14.3、59.3、113、223和501 μS·cm^–1，各溶液的pH分别为5.5、6.1、5.8、5.8、6.0、6.2和5.9。最后测量了石英砂和包铁石英砂在不同pH电解质溶液中考虑表面电导时的zeta电位。不同pH电解质溶液的配制方式为先用0.1 mol·L^–1的NaOH或HCl将纯水调至不同的pH，然后加入0.1 mol·L^–1 NaCl溶液将电导率均调至20 μS·cm^–1，再用pH计精确测量不同溶液的pH。这些电解质溶液的pH依次为4.4、5.2、6.1、6.6、6.9、7.7和8.0。所有试验均进行了三次重复测定。

2）电泳法测量。为与流动电位法的测定结果进行比较，采用基于电泳原理的商品化流动电位测量仪（ZetaPlus，美国布鲁克海文）测定石英胶体在不同pH电解质溶液中的zeta电位。将过300目筛的石英砂配制成浓度为500 mg·L^–1的悬液并超声分散10 min；再用0.1 mol·L^–1的NaOH或HCl将悬液调至不同的pH，加入0.1 mol·L^–1 NaCl溶液将电导率均调至20 μS·cm^–1；通入N₂以防止空气中CO₂干扰，并将悬液静置一夜以沉降非胶体颗粒；采用zeta电位仪测定上部悬液中石英胶体的zeta电位，再用pH计精确测量不同溶液的pH，所测悬液的pH分别为4.3、4.7、5.3、6.1、6.4、7.7和8.0。

采用Excel 2016软件和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析和作图。文中数据表示方式为均值±标准差。

电解质储液箱液面刻度与测量室两端液压差间的对应关系如图 3所示。当测量室中填充满待测样品石英砂和包铁石英砂后，随着电解质溶液储液箱中液面下降，流经测量室的溶液流速降低，测量室两端的液压差（ΔP）逐渐降低。液面刻度的降低程度与液压差的降低程度呈极好的线性关系。由于测量室的电解质溶液流出口与电解质储液箱最低刻度线（38 cm）持平，所以在38 cm处电解质溶液不会流动，测量室两端的液压差为零。石英砂和包铁石英砂的液面下降高度和固相样品两端液压差（ΔP）的关系曲线存在差异，在相同液面刻度时，填充包铁石英砂的测量室两端液压差要大于石英砂（图 3）。这是由于石英砂表面包铁后粗糙度增加，填充后颗粒间的毛管孔隙更小，溶液流经时水头损失增大，压差增加。对于同一待测固相，三次重复测量的差异较小。所以，电解质储液箱液面刻度与测量室两端液压差间的对应关系可被准确建立起来，在后续的测量中只需要读取电解质储液箱的液面刻度便可查得ΔP。对于相同类型的固相待测样品，填充在样品室后颗粒间形成的毛管孔隙结构相似，可共用一个液面高度-液压差关系曲线。但对不同类型的固相待测样品，要分别建立关系曲线。

图 3 电解质储液箱液面刻度与测量室两端液压差间的对应关系 Fig. 3 Relation between the level scale of electrolyte container and pressure difference of the ends of measuring cell

采用流动电位法测定了石英砂在不同离子强度电解质溶液中的zeta电位。在流动电位测量过程中，随着电解质储液箱中液面降低，石英砂多孔介质所产生的流动电位（ΔE）随液压差（ΔP）的变化关系如图 4所示。由于在流动电位测量中，储液箱中电解质的液面每下降1 cm便可获得1组液压差和流动电位数据，因此在一个测量周期内，可获数十组数据，保证了测定结果的准确性。可以看出，各浓度NaCl溶液中测得的ΔE与ΔP之间具有极好的线性关系，R²均大于0.99。良好的线性关系说明在整个测量过程中体系是非常稳定的。这才能够通过对ΔE和ΔP进行线性拟合计算得到唯一的流动电位系数（C），并进一步计算得到待测样品的zeta电位。随着NaCl浓度的增加，石英砂颗粒的C逐渐往正值方向移动（图 4）。

图 4 不同浓度NaCl溶液中石英砂产生的流动电位随液压差变化的关系 Fig. 4 Streaming potentials of quartz grains at different pressure difference in different concentrations of NaCl solution

将不同离子强度NaCl溶液中石英砂的C代入式（1）和式（2）计算得到未考虑表面电导和考虑表面电导时石英砂的zeta电位（图 5）。可以看出，在不同离子强度的电解质溶液中，测得石英砂的zeta电位均为负值。但不同的是，未校正表面电导时，随着离子强度的增加，计算得到的石英砂zeta电位绝对值呈现出先增加后降低的变化趋势，而校正表面电导后，计算得到的石英砂zeta电位绝对值逐渐降低。双电层理论认为随着离子强度的增加，带电表面在电解质溶液中的zeta电位绝对值减小。这是由于随着离子强度的增加，固相表面在电解质溶液中形成的双电层厚度受到压缩，双电层剪切面距离本体溶液的距离减小，造成zeta电位的绝对值降低^[21]。所以，未校正表面电导时计算得到的石英砂zeta电位在低离子强度条件下的变化规律与理论不符。这是由于流动电位中的电导电流由溶液电导电流和表面电导电流组成。低离子强度条件下，石英砂在电解质溶液中形成的双电层厚度较大，双电层厚度占整个毛管孔径的比例较大。双电层上产生的表面电导占总电导的比例也会较大，此时如果只考虑溶液电导而忽视表面电导的贡献，所得结果就会偏离实际值而存在误差。只有在高浓度电解质溶液中，由于双电层受到压缩，双电层厚度占整个毛管半径的比例可以忽略不计，此时可忽略表面电导对总电导的贡献，而只需考虑溶液电导^[20]。本研究中，当电解质溶液大于0.5 mmol·L^–1后，校正与未校正表面电导计算得到的zeta电位差异不大，可以不用考虑表面电导对测定结果的影响。这一结果与前人的研究结果相似，大多数研究者认为当溶液离子强度大于1 mmol·L^–1时表面电导的影响可忽略^[9]。因此，当支持电解质NaCl溶液的浓度从0.01 mmol·L^–1增加至5.0 mmol·L^–1，随着离子强度增加，石英砂的zeta电位从–50.8 mV增加至–19.2 mV。

图 5 不同离子强度下石英砂的zeta电位 Fig. 5 Zeta potential of quartz grains relative to ionic strength

在流动电位测量中，考虑表面电导和不考虑表面电导干扰的测量过程和计算过程不同。未校正表面电导的测量过程较为简单，无需测量待测电解质和高浓度电解质充满测量室时的总电导率，可缩短样品测量时间。但当支持电解质浓度太低（ $\mathfrak{R} $1 mmol·L^–1）时，必须考虑表面电导的影响才能获得准确测定结果。本研究中所发明的流动电位装置可定量表征表面电导对zeta电位测定结果的干扰大小，并能进行校正，使最终结果具有较高准确度。

采用自制流动电位装置，测量了石英砂和包铁石英砂在不同pH NaCl溶液中的zeta电位。石英砂与包铁石英砂ΔE随ΔP变化的部分数据列于图 6中。各测定结果中ΔE与ΔP之间具有极好的线性关系，说明了测量体系的稳定性。在图 6中，所列石英砂或包铁石英砂的C随支持电解质溶液pH的降低而往正值方向移动，其中在pH 4.4的电解质溶液中，包铁石英砂的C为一正值（3.008mV·kPa^–1）。

图 6 不同pH NaCl溶液中部分石英砂与包铁石英砂在不同液压差下产生的流动电位大小 Fig. 6 Streaming potentials of quartz grains and Fe oxide-coated quartz grains at different pressure difference in electrolyte with different pH values

计算得到的石英砂和包铁石英砂在不同pH电解质溶液中的zeta电位如图 7所示。可以看出，随着电解质溶液pH升高，石英砂和包铁石英砂的zeta电位均往负值方向移动，这是由于随着pH升高，溶液中H⁺的活度降低，石英砂和包铁石英砂表面官能团（–OH）发生去质子化作用，使固相表面的净负电荷量增加，zeta电位减小。相同pH电解质溶液中，测得包铁石英砂的zeta电位值均要大于石英砂的zeta电位值。这是由于石英砂的IEP为2~3，氢氧化铁的IEP为7~9^[22]。本次测定溶液的pH范围为4.4~8.0，溶液pH均大于石英砂的IEP，石英砂表面带净负电荷^[23]。但大部分溶液的pH又小于氢氧化铁的IEP，使氢氧化铁表面带净正电荷。因此，表面带正电荷的氢氧化铁包被在带负电荷的石英砂表面上后能对石英表面的部分负电荷起到包被屏蔽作用，导致包铁石英砂的正电荷量大于石英砂，测得的zeta电位数值大于石英砂。当溶液pH较小时，包铁石英砂表面带净正电荷，测得的zeta电位为正值。从图 7可以看出测得包铁石英砂的IEP在5.9左右，介于石英砂和氢氧化铁的IEP之间。这都说明包被氢氧化铁后能对石英砂表面的电荷特征起到较好的修饰效果。本研究采用自制的流动电位装置测得的石英砂和包铁石英砂在不同pH电解质溶液中的zeta电位均与理论一致，具有较高的准确度。采用流动电位法和电泳法测得石英砂在不同pH电解质溶液中的zeta电位如图 8所示。不同pH电解质溶液中两种方法测定结果的变化趋势一致，且在相同溶液pH条件下两种方法测得的zeta电位大小接近，这进一步证明了流动电位法测量结果的准确性。

图 7 不同pH电解质溶液中石英砂和包铁石英砂的zeta电位 Fig. 7 Zeta potential of quartz grains and Fe oxide-coated quartz grains relative to electrolyte pH

图 8 采用流动电位法和电泳法测得的石英砂在不同pH电解质溶液中的zeta电位 Fig. 8 zeta potential of quartz in electrolyte with different pH values measured by streaming potential and electrophoresis method

流动电位现象于1859年被德国物理学家Georg Quincke发现，与电泳、电渗析和沉降电位一同被称为四大动电现象^[24]。一百多年来，科学家们对流动电位原理进行了广泛研究和应用，但在土壤学领域应用较少。在土壤学研究中，尤其是在研究土壤中颗粒和溶质运移时，常采用石英砂柱来模拟真实土体所具有的多孔结构和表面电荷特征，也常在石英砂表面包被铁氧化物来修饰石英砂的表面电荷量以达到模拟真实土壤表面电荷量变化的目的^[25-26]。在这些研究中，若采用传统的电泳法测定包铁石英砂的zeta电位会存在一定的困难和误差。因为将包铁石英砂磨细成胶体会使更多的SiO₂表面暴露出来，

电泳法测得的结果根本不能代表包铁石英砂原本的表面电化学性质^[27]。本研究采用自制的流动电位装置准确测量了石英砂和包铁石英砂在不同离子强度和不同pH电解质溶液中的zeta电位，成功表征了这些物质的表面电荷特征。研究结果可为从事土壤颗粒和溶质运移的研究者提供技术帮助，有助于揭示土壤中物质的运移机理。除测定模拟土体外，我们也曾采用早期自制的流动电位装置测定了真实土壤（两种红壤和砖红壤）的zeta电位^[28]。除测定土体等颗粒状大尺寸带电物体的zeta电位外，流动电位法也可用于表征植物根系等纤维状大尺寸带电物体的表面电化学特征^[16]。Liu等^[29]借助流动电位测量技术发现对铝毒害敏感水稻的根系比耐铝毒害水稻根系表面含有更多的负电荷。随后，Lu等^[30]进一步结合流动电位测定和根表官能团红外表征技术研究了17种作物根系的表面电荷特征，发现豆科作物的根系比非豆科的根系表面官能团更加丰富，带有更多的负电荷。

此外，由于流动电位测量是将石英砂颗粒填充到测量室形成石英砂柱，然后电解质溶液流经石英砂柱后产生流动电位信号。所以，理论上可将流动电位测量和溶质运移研究结合起来。若将电解质溶液更换为胶体或纳米颗粒悬液，还可以将流动电位测量和胶体/纳米颗粒迁移结合起来。最终实现基于流动电位信号原位监测溶质/颗粒运移与模拟土体间的相互作用过程。我们已成功采用流动电位法表征Fe/Al氧化物胶体在迁移过程中与模拟土体石英砂柱之间的带相反电荷颗粒相互作用^[31]。采用流动电位法区分了颗粒运移中双电层重叠作用和颗粒沉降作用对石英砂柱表面电化学性质的影响程度^[32-33]，建立起了胶体颗粒滞留量与石英砂柱表面电化学性质改变程度间的定量关系^[34]。所以，可以采用流动电位法研究土壤的表面电化学特征和土体内带电颗粒间的相互作用，扩展和丰富土壤电化学的研究内容^[20]。

由于流动电位法主要用于测量大尺寸带电物体的zeta电位，不同类型的测定对象大小不一、形状各异，所以商品化的流动电位测量仪的测量室难以满足各式各样样品的测试需求，加上仪器价格昂贵，绝大多数的研究者会根据样品的特征自行研制流动电位测量装置^[14，35]。本研究中所研制的流动电位测量装置是在长期实践中的经验总结和原研制的流动电位装置进一步发展完善而来的^[36]。本研究中所使用的流动电位测量装置在保证获得准确数据的前提下具有以下优点：（1）基于重力驱动电解质溶液的流动。大多数流动电位测量装置是基于压缩空气或泵驱动电解质溶液的流动，这种方法的驱动力大，可获得较大ΔP值。但电解质溶液在高驱动压差下流速较快，有可能在测量过程中对待测样品的物理结构产生破坏，造成测量过程的不稳定^[37]。本研究中使用重力驱动电解质溶液流动，最大驱动压力不超过2 kPa，较低的驱动力不会对土壤等刚性较差的样品产生明显破坏作用，便于本装置在土壤电化学研究领域开展应用；（2）装置结构简单且模块化。从图 1可以看出本研究中所用的流动电位测量装置的主体结构极为简单。较复杂的测量系统使得装置的清洗存在困难，有可能导致样品间的交叉污染。而本研究中使用的流动电位测量装置全部采用模块化设计，各部件均可进行拆卸清洗甚至更换部件，可有效避免样品间的交叉污染；（3）造价低廉。由于结构简单，因此整个装置的加工制造费用较低。除电位计、电导率仪和压差计外，整个装置的成本不超过1千元。所以，本研究中所使用的流动电位装置可被土壤学领域的研究者借鉴参考，以便为土壤学的研究工作做出贡献。

采用自制流动电位装置准确测定了石英砂和包铁石英砂在不同电解质溶液中的zeta电位。离子强度的增加导致了石英砂的双电层厚度受到压缩，测得的zeta电位绝对值逐渐降低。随着电解质溶液pH升高，石英砂和包铁石英砂表面官能团发生去质子化作用而使测得的zeta电位均往负值方向移动。包被氢氧化铁后能对石英砂表面的电荷特征起到较好的修饰效果，使同一pH条件下测得的包铁石英砂的zeta电位大于石英砂。采用流动电位法测得不同pH电解质溶液中石英砂zeta电位与常规电泳法的测定结果具有较好的一致性。本研究中自制流动电位测量装置的电解质溶液基于重力驱动，仪器装置结构简单、模块化设计、价格低廉，可进一步应用于土壤化学研究之中。