绿脱石-有机酸-六价铬复杂体系中铬的还原反应及机理研究
发布时间：2020-07-22 13:35
【摘要】：重金属铬污染是土壤及水体环境中常见的一种污染物。铬元素的迁移性、生物毒性与其元素价态密切相关,因而铬元素在自然环境中的迁移转化规律受到人们的广泛关注。前人研究表明,铁元素如溶解态亚铁、零价铁、含铁矿物如黄铁矿、粘土矿物等在铬元素循环转化及铬污染治理工程中均发挥着重要作用。而土壤和沉积物中普遍存在的粘土矿物,其含铁总量占土壤/沉积物含铁总量的50%左右,且矿物中结构铁可被还原,具有较高的反应活性,可对环境中多种重金属如铬、铀的转化产生影响。目前粘土矿物单独与铬相互作用及反应机理的研究报道较多,但是自然环境中往往存在多种环境因子如有机质、微生物等,在多种环境因子共存的体系中铬的还原反应及机理的研究报道甚少且多集中于酸性条件。本文在近中性条件下,利用富铁粘土矿物绿脱石与六价铬相互反应,并通过向反应体系中添加多种环境中常见的小分子有机酸来研究有机酸对绿脱石中结构亚铁还原六价铬的影响。通过系统的研究分析,取得如下创新性成果:1)不同低分子量有机酸对绿脱石中结构亚铁还原六价铬的反应速率的影响不同。如柠檬酸抑制体系中铬还原速率,这一结果不同于柠檬酸对溶解态亚铁或黄铁矿还原六价铬的影响;酒石酸和苹果酸等则会促进体系中铬还原速率;2)含有α-羟基/羰基的有机酸在还原态绿脱石-有机酸-六价铬共存的体系中,可提供电子来还原体系中六价铬,而这些有机酸在单独存在或氧化态绿脱石存在的条件下,不能提供电子用于还原六价铬;3)首次在透射电镜下直接观察到绿脱石中结构亚铁单独还原六价铬的产物为三价铬氧化物/氢氧化物纳米颗粒,均匀分布在矿物表面或边缘区域。而绿脱石-有机酸-六价铬共存体系中六价铬还原产物的赋存形式与有机酸种类密切相关。如当体系中存在柠檬酸、酒石酸、苹果酸等时,铬的还原产物为可溶性有机络合态三价铬,而在其他有机酸如丙酸、琥珀酸等存在时,铬的还原产物以固相三价铬氧化物/氢氧化物存在。本论文表明在富有机质环境中,利用含铁粘土矿物为载体治理铬污染过程中需考虑有机质对六价铬的还原速率、还原总量及还原产物的影响。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53;X52
【图文】：
H)2+、CrOH2+形态存在；在 pH > 8 的条件下，Cr(III)主要 Cr(OH)3H)4-形态存在，两者浓度此消彼长（Barrera-Diaz et al., 2012）。
图 1-1 不同 pH 条件下水溶液中 Cr(VI)的存在形态拟条件为 Cr(VI)浓度为 1 mmol/L，温度为 25°C，背景电导离子为 0.01 mol/L 的 N
Cr(VI)与 Cr(III)之间可通过还原、氧化过程发生相互转变（图1-3）。Cr(VI)具有较高的氧化还原电位，是强氧化剂，可被多种还原性物质如二价铁（Fe(II)/Fe(III)）（BuergeandHug,1997）、硫化氢（HS-/SO42-或 HS-/S0）(Lanet al., 2005)、有机质（Deng, 1995）等还原（图 1-4）。Cr(VI)也可被多种微生物还原（Cheng et al., 2012; Dhal et al., 2013; Gorny et al., 2016）。此外，光催化有机质还原Cr(VI)也是自然界中Cr(VI)还原的另一重要途径（Deng,1995;Hugetal.,1996）（图 1-3）。图 1-3 自然环境中的铬元素循环过程相比于 Cr(VI)而言，Cr(III)较稳定，不易被氧化。虽然自然环境中常见的氧化剂如 O2/H2O、NO3-/N2、NO3-/NO2-、Mn(III, IV)/Mn(II)等氧化还原电位均高于Cr(OH)2-/CrO42-（图 1-4）。理论上这些氧化剂均能氧化 Cr(III)，但是研究表明，O2/H2O、NO3-/N2、NO3-/NO2-在好氧条件下氧化 Cr(III)的速率极慢（Bartlettetal.,1979; Gorny et al., 2016; Varadharajan et al., 2017）。锰氧化物（Mn(III, IV)）（Daiet al., 2009）、羟基、过氧自由基等活性氧化物质（光催化氧化过程）（Dai et al.,2010; Ye et al., 2017; Ye et al., 2018）、过氧化氢（Rock et al., 2001）被认为是氧化Cr(III)的主要氧化剂。而微生物参与的 Cr(III)氧化过程目前尚未报道。此外，Cr(III)易与多种有机配位体形成络合物，如草酸、柠檬酸、酞酸酯、酒石酸等羧酸盐、氨基酸等，同时也可与自然水体中可溶性有机质发生络合，形成溶解度极高、较
本文编号：2765885
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53;X52
【图文】：
H)2+、CrOH2+形态存在；在 pH > 8 的条件下，Cr(III)主要 Cr(OH)3H)4-形态存在，两者浓度此消彼长（Barrera-Diaz et al., 2012）。
图 1-1 不同 pH 条件下水溶液中 Cr(VI)的存在形态拟条件为 Cr(VI)浓度为 1 mmol/L，温度为 25°C，背景电导离子为 0.01 mol/L 的 N
Cr(VI)与 Cr(III)之间可通过还原、氧化过程发生相互转变（图1-3）。Cr(VI)具有较高的氧化还原电位，是强氧化剂，可被多种还原性物质如二价铁（Fe(II)/Fe(III)）（BuergeandHug,1997）、硫化氢（HS-/SO42-或 HS-/S0）(Lanet al., 2005)、有机质（Deng, 1995）等还原（图 1-4）。Cr(VI)也可被多种微生物还原（Cheng et al., 2012; Dhal et al., 2013; Gorny et al., 2016）。此外，光催化有机质还原Cr(VI)也是自然界中Cr(VI)还原的另一重要途径（Deng,1995;Hugetal.,1996）（图 1-3）。图 1-3 自然环境中的铬元素循环过程相比于 Cr(VI)而言，Cr(III)较稳定，不易被氧化。虽然自然环境中常见的氧化剂如 O2/H2O、NO3-/N2、NO3-/NO2-、Mn(III, IV)/Mn(II)等氧化还原电位均高于Cr(OH)2-/CrO42-（图 1-4）。理论上这些氧化剂均能氧化 Cr(III)，但是研究表明，O2/H2O、NO3-/N2、NO3-/NO2-在好氧条件下氧化 Cr(III)的速率极慢（Bartlettetal.,1979; Gorny et al., 2016; Varadharajan et al., 2017）。锰氧化物（Mn(III, IV)）（Daiet al., 2009）、羟基、过氧自由基等活性氧化物质（光催化氧化过程）（Dai et al.,2010; Ye et al., 2017; Ye et al., 2018）、过氧化氢（Rock et al., 2001）被认为是氧化Cr(III)的主要氧化剂。而微生物参与的 Cr(III)氧化过程目前尚未报道。此外，Cr(III)易与多种有机配位体形成络合物，如草酸、柠檬酸、酞酸酯、酒石酸等羧酸盐、氨基酸等，同时也可与自然水体中可溶性有机质发生络合，形成溶解度极高、较
【参考文献】
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本文编号：2765885
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