科研进展

广州地化所在类质同像置换对磁铁矿表面反应性的制约研究上取得进展

  

  重金属铅(Pb)在土壤、地下水和地表水体中的检出浓度较高,具有生物富集性、持久性和高毒性等特征,是优先控制的重金属之一。理解Pb在地表环境的迁移行为和最终归宿,开发高效的铅钝化固定技术,对解决铅污染问题尤为重要。矿物与Pb的固-液界面作用能有效控制Pb在水体中的浓度和形态,影响其迁移性。铁(氢)氧化物常以颗粒物、胶体等形式,广泛分布在土壤和沉积物中,能通过吸附作用固定Pb。在地表环境中,赤铁矿和针铁矿等次生铁(氢)氧化物矿物是吸附铅的主要矿物。磁铁矿是原生矿物,目前对磁铁矿吸附铅性能的研究报道并不多见。然而,磁铁矿作为土壤和沉积物中常见的矿物,可通过Fe0氧化,Fe2+氧化,以及Fe3+化学/生物还原等地球化学过程产生。国内外研究者也相继发现磁铁矿能有效去除Cr(VI),Hg(II)和As(V)等重金属,故不可忽视磁铁矿对Pb的吸附性能及其作用机制。在自然界中,磁铁矿结构中的Fe可被多种过渡金属离子类质同像置换,如Ti4+,V3+,Mn2+,Co2+,Cr3+和Ni2+等。这些离子不同程度地改变磁铁矿表面物理化学性质(如比表面积、表面位密度等),可能制约着磁铁矿对Pb的吸附性能。 

  据此,广州地球化学研究所矿物学与成矿学院重点实验室何宏平研究员的课题组,借助吸附实验、光谱表征技术以及表面络合模型等手段研究多种过渡金属(Cr、Mn、Co、Ni)类质同像置换对磁铁矿的表面性质以及对Pb(II)吸附容量的影响,查明Pb(II)在磁铁矿表面的微观局域环境以及吸附机制。研究获得以下新认识: 

  (1)Pb(II)通过形成双核三齿内圈络合物吸附在磁铁矿表面,该吸附构型不受吸附容量影响(图1)。 

  (2)通过分析吸附容量和吸附构型,计算得到参加吸附反应的表面位密度,与由酸碱滴定得出的表面位密度十分接近,表明表面羟基是主要的吸附位点(图2)。 

  (3)类质同像置换主要通过改变磁铁矿的表面位密度,制约磁铁矿对Pb(II)的吸附性能。 

  该成果发表于Chemical Geology上,有助于深刻理解磁铁矿族矿物对Pb的固定机制以及Pb(II)在土壤和水生环境中的迁移行为和最终归宿。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和国家外专局/中国科学院“矿物结构域表明物理化学”创新国际团队项目等资助。 

  1. 磁铁矿表面吸附态Pb的构型 

  2. 由吸附实验结果计算得到表面位密度(Dcal由酸碱滴定结果测定表面位密度(Ds)的相关性 

  论文信息Xiaoliang Liang, Gaoling Wei, Juan Xiong, Fuding Tan, Hongping He*, Chenchen Qu, Hui Yin, Jianxi Zhu, Runliang Zhu, Zonghua Qin, Jing Zhang. Adsorption isotherm, mechanism, and geometry of Pb(II) on magnetites substituted with transition metals. Chemical Geology, 2017, 470: 132-140.  

  Doihttp://dx.doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.09.003 

  论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254117305028.