两种铁复合氧化物与土壤硼的界面反应特性及作用机制

Boron transformation in the soil is controlled by its adsorption and desorption reactions on oxides surface. Oxides usually coexist in soil and form binary oxides. The interface reaction on the surface of binary oxides play an important role in boron adsorption behavior in soil. In order to simulate the reaction process of binary oxide in natural soil,iron-manganese binary oxide and iron-aluminium binary oxide were synthesised. After boron was loaded on the binary oxides, the functional group, valence states of atoms, phase composition and microstructure of the binary oxides were characterized by infrared spectra analysis(FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), X-ray diffraction(XRD) and scanning electron microscopy. The adsorption-desorption kinetic process of boron were investigated. After added the binary oxides into soil, dynamic changes of soil boron fraction, soil pH and oxidoreduction potential were analyzed. Through the changes of the structure and surface characteristics,the interface reaction process between boron and binary oxides were illustrated. The mechanism of the soil boron transformation influenced by binary oxides were pvoved by soil boron availability changes. Research results have great value on explain boron adsorption and transformation process on soil mineral surface, and it has important significance on understanding soil boron transformation process.

氧化物对硼的吸附-解吸反应是影响土壤中硼转化的重要过程之一，在土壤中不同的氧化物常常共生形成复合氧化物，硼在复合氧化物表面的界面反应对硼在土壤中的化学行为将产生深刻的影响。本项目模拟土壤中常见的铁锰、铁铝氧化物存在形式，人工合成铁锰、铁铝两种复合氧化物，在硼与复合氧化物表面反应的基础上，通过红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、扫描电镜等表面分析技术研究硼在复合氧化物表面上的化学基团、原子价态、结构组成、微观形貌及吸附-解吸动力学，并将复合氧化物添加到土壤中，分析土壤硼形态、土壤酸度及氧化还原电位的动态变化。通过复合氧化物负载硼前后结构特性的变化，阐明复合氧化物与硼的界面反应过程；根据复合氧化物对土壤硼有效性的影响，揭示复合氧化物在土壤硼形态转化中的作用机理。研究结果对于阐明硼在土壤矿物界面吸附、迁移和转化规律，了解氧化物对土壤硼运移过程的影响具有重要的理论和实际意义。

氧化物对硼的吸附-解吸反应是影响土壤中硼转化的重要过程之一，在土壤中不同的氧化物常常共生形成复合氧化物，硼在复合氧化物表面的界面反应对硼在土壤中的化学行为将产生深刻的影响。本项目模拟土壤中常见的铁锰、铁铝氧化物存在形式，人工合成铁锰、铁铝两种复合氧化物，主要研究内容和结果有：（1）通过红外光谱、X射线衍射、扫描电镜等表面分析技术研究硼在复合氧化物表面上的化学基团、结构组成、微观形貌，结果显示铁铝氧化物为结晶良好的晶型氧化物，而铁锰氧化物为无定形态氧化物，且硼在氧化物表面的吸附，改变了其表面基团的数量和位置。硼吸附后氧化物比表面积增加，电荷零点降低。（2）通过动态平衡实验，测定了氧化物对硼的吸附过程，结果显示铁锰复合氧化物对硼的吸附量在pH 3-8的范围内，随pH 的升高而逐渐增加，在pH 8-10达到顶点，在pH10-11又继续下降。 Langmuir等温模型可用来描述铁锰氧化物对硼的等温吸附过程。铁铝复合氧化物对硼离子的吸附量在在pH=9时达到最大点。硼在两种复合氧化物表面的吸附随温度的升高而降低。（3）通过将氧化物加入到土壤中观察复合氧化物对土壤硼有效性的影响，实验结果显示，复合氧化物在土壤中的加入降低了土壤中水溶态硼的含量，特别是在土壤中添加外源硼之后，降低更加明显。（4）同时我们将复合氧化物的研究扩展至它们与土壤重金属的相互作用。结果显示，两种氧化物对重金属有较强的吸附能力，同时在土壤中添加氧化物后，土壤中汞的含量明显降低。14天时间，铁铝氧化物和铁锰复合氧化物对土壤中汞的去除率分别达到94.6%和88.6%。添加铁铝氧化物后，土壤中交换态Mn、Pb和Cd的含量分别降低了64.8%、52.9%和89.51%。