厌氧环境下Fe(II)对As(III)在氧化铁-硅酸盐矿物复合界面作用的影响机制

The interactions between arsenite and iron oxides and phyllosilicate minerals have a significant influence on arsenite transfer and form changes in natural anoxic environments. Fe(II) ion is one of main species of iron in natural anoxic environments, and they could influence the adsorption and redox reactions of As(III) on the surfaces of iron oxides and phyllosilicate minerals by various.interactions to change the types and surface properties of the minerals. Iron oxides and phyllosilicate minerals are often simultaneously present and tend to form associations in soils, and the surface chemical characterizations of the associations are markedly different from the single minerals. However, the interactions between As(III) and iron oxides-phyllosilicate associations in the present of Fe(II) have not been established. The current proposal focuses on the reaction of As(III) with iron oxides-phyllosilicate associations in the present Fe(II). The dynamical properties of systems will be observed to reveal the reactions, and the interaction mechanisms will be proposed at molecular scale by using XRD, SEM/EDS, HRTEM/EDS, FT-IR, XPS, and XAFS. These results will be useful to understand Fe(II) roles in As(III) ions migration and forms change on the interface of the associations. It will also offer scientific evidences on environmental geochemistry of arsenic and iron cycle in natural environments.

厌氧环境下As(III)在氧化铁和硅酸盐矿物界面作用影响或决定其在土壤中的迁移转化。Fe(II)是铁元素在厌氧环境中常见形态，它们通过一定反应可改变氧化铁和硅酸盐矿物结构及界面特性，影响As(III)在矿物表面的吸附、氧化还原等作用。土壤中两类矿物常以复合体形态存在，复合过程中矿物微结构和表面化学性质的变化会改变它们与Fe(II)和As(III)作用特性。然而有关Fe(II)存在条件下As(III)在氧化铁-硅酸盐矿物复合界面作用特性和机制还不明确。本项目拟通过应用分子环境土壤学技术和理论，结合表观热力学和动力学研究，探讨Fe(II)存在条件下As(III)在氧化铁-硅酸盐矿物复合界面作用的特性与微观机制，明确Fe(II)作用对As(III)形态和复合界面特性变化影响，揭示Fe(II)和As(III)在矿物复合界面共作用特性与机制，为深入阐明厌氧环境下铁和砷元素的地球化学过程提供理论依据。

厌氧环境下As(III)在氧化铁界面作用影响或决定其在土壤中的迁移转化。Fe(II)是铁元素在厌氧环境中常见形态，它们通过一定反应可改变氧化铁结构及界面特性，影响As(III)在矿物表面的吸附、氧化还原等作用。土壤中铁氧化物常与硅酸盐矿物以复合体形态存在，复合过程中矿物微结构和表面化学性质的变化会改变它们与Fe(II)和As(III)作用特性。然而有关Fe(II)存在条件下As(III)在氧化铁-硅酸盐矿物复合界面作用特性和机制还不明确。本项目主要研究了Fe(II)存在条件下As(III)在氧化铁-硅酸盐矿物复合界面作用的特性与微观机制，主要研究结果有：1）厌氧条件下Fe(II)存在提高了水铁矿-硅酸盐矿物复合物对As(III)的吸附性能，且水铁矿-高岭石复合物对As(III)的吸附量要高于水铁矿-蒙脱石复合物；2）复合物对As(III)的吸附量随着反应pH的降低而减少，且水铁矿-蒙脱石复合物吸附As(III)降低幅度要高于水铁矿-高岭石复合物。3）厌氧条件下As(III)存在抑制了Fe(II)催化复合物中弱晶质水铁矿向晶质氧化铁的转化，水铁矿-高岭石和水铁矿-蒙脱石复合物均无明显的晶质氧化铁形成；4）与水铁矿-蒙脱石复合物不同，在中性条件下水铁矿-高岭石复合物在Fe(II)作用下，形成了水合双金属氧化物（LDH），且形成量随高岭石复合比例和Fe(II)浓度增加而增加；5）厌氧条件下Fe(II)存在使水铁矿-硅酸盐矿物复合物吸附的As(III) 部分氧化为As(V)，且As(III)的氧化量随着复合物中水铁矿含量的增加而增加，水铁矿-蒙脱石复合物中As(III)的氧化比例要高于水铁矿-高岭石复合物。6）厌氧条件下还原性蒙脱石（rSWy-2）结构Fe(II)可催化水铁矿向纤铁矿转化，水铁矿转化主要包括矿物间固相吸附、电子传递和水铁矿转化三个阶段。研究结果可为深入阐明厌氧环境下铁和砷元素的地球化学过程提供理论依据。